tmmob makina mühendisleri odası YENİ ve YENİLENEBİLİR ENERJİ KAYNAKLARI SEMPOZYUMU VE SERGİSİ BİLDİRİLER KİTABI EDİTÖRLER Yrd. Doç. Dr. Şükrü SU Doç.Dr. Mustafa İLBAŞ MMO Yayın No: E / 2003 / 330 EKİM 2003 - KAYSERİ
Yeni ve Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi 3-4 Ekim 2003 Kayseri tmmob makina mühendisleri odası Adres : Sümer Sokak No: 36 / 1 - A Demirtepe, 06440 ANKARA Tel : (0 312) 231 31 59; 2313164; 23180 23; 23180 98 Fax : (0 312) 231 3165 E-posta : mmo@mmo.org.tr Web : http://www.mmo.org.tr MMO Yayın No: E / 2003 / 330 ISBN : 975-395-628-2 Bu yapıtın yayın hakkı 'na aittir. Kitabın hiçbir bölümü değiştirilemez. 'nın izni olmadan elektronik, mekanik vb. yollarla kopya edilemez ve çoğaltılamaz. Kaynak gösterilmek suretiyle alıntı yapılabilir. DİZGİ BASKI : TMMOB MMO KAYSERİ ŞUBESİ : NETFORM MATBAACILIK AŞ. - KAYSERİ
Yeni ve Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu ve,sergisi 3-4 Ekim 2003 Kayseri MAKSİMUM GÜÇ NOKTASI İZLEYİCİLİ FOTO VOLT AİK GÜÇ SİSTEMİNİN MİKRODENETLEYİCİ TABANLI KONTROLÜ Ahmet Afşin KULAKSIZ Ramazan AKKAYA S.Ü. Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Elektrik-Elektronik Müh. Böl. 42031 Kampus, Konya afsin@selcuk.edu.tr akkava@selcuk.edu.tr ÖZET Yapılan çalışmada şebekeden bağımsız bir fotovoltaik güç sistemi tasarlanmış ve pratik olarak gerçekleştirilmiştir. Sistemde güneş paneline gelen ışık miktarından maksimum seviyede faydalanmak amacıyla güneş izleyici sistem gerçekleştirilmiş, sağlanan elektriksel güç tasarlanan maksimum güç noktası izleyici (MPPT) denetleyicisi kullanılarak akülerde depolanmıştır. MPPT denetleyicisi, bir mikrodenetleyici ile kontrolü sağlanan Buck- Boost tipi DC-DC dönüştürücü içermektedir. Akülerde depolanan DC formdaki enerji, AC yükleri beslemek üzere bir gerilim kaynaklı PWM inverter ile AC forma dönüştürülmüştür. İnverterin anahtarlanması, seçilmiş harmoniklerin elimine edildiği darbe genişlik modülasyonu (SHE-PWM) metoduyla sağlanmıştır. Bu yöntem, gerilim kaynaklı tek fazlı köprü inverterin PIC mikrodenetleyicisi ile kontrol edilmesinde kullanılmıştır. Simülasyon ve deneysel sonuçlar sistemin etkinliğinin gösterilmesi amacıyla verilmiştir. Anahtar Sözcükler :' Fotovoltaik Enerji, Fotovoltaik Sistem, MPPT denetleyici, PWM inverter, SHE-PWM, PIC Mikrodenetleyicisi. 1. GİRİŞ Fotovoltaik enerji, güvenilir olması, hareketli parçalar içermemesi ve bakım maliyetlerinin olmaması gibi avantajları sebebiyle gelecek vaat eden enerji kaynaklarından biri konumundadır. PV teknolojisinin hedefi, güneşten diğer enerji kaynaklarına göre maliyet açısından karşılaştırılabilir, hatta daha avantajlı şekilde elektrik enerjisinin elde edilebilmesidir. Fotovoltaik (PV) sistem maliyetlerinin henüz nispeten düşük dönüşüm verimlerine sahip olduğu dikkate alındığında, PV enerjinin diğer enerji türleriyle rekabet edebilir duruma getirilmesi için, en etkin, tasarım yöntemleri 53 üzerine yapılan çalışmaların son derece önem kazanmış olduğu görülmektedir [1]. PV güç sistemlerinde, elektrik enerjisinin istenen şartlarda sağlanması için güneş panellerinin yanında çeşitli farklı birimlere gerek duyulmaktadır. PV sistemi tasarlanırken, belli bir alana düşen ışık seviyesinin maksimum seviyede tutulması önemli olmakta, bu amaçla gerçekleştirilen sistemlerin başında güneş izleyici birimi yer almaktadır. Bu birimle, güneşin gün boyu doğudan batıya doğru olan hareketinin takip edilmesi amaçlanır. PV sistemlerde ele alınan diğer önemli bir nokta güneş paneli çalışma noktasının o anki şartlar için maksimum çıkış gücünün sağlanması yönünde ayarlanmasıdır. Sistemde güneş enerjisinin mevcut olmadığı anlarda enerjinin sağlanması amacıyla gerek duyulan akülerin şarj edilmesinin MPPT denetleyicisi vasıtasıyla sağlanması, sistem verimine oldukça olumlu ölçüde etki etmektedir [2-4]. PV sistemlerde, panelden sağlanan ve daha sonra kullanılmak amacıyla akülerde depolanan DC güç, inverter vasıtasıyla AC güce dönüştürülür. İnverterin dönüştürme veriminin yüksek tutulması, sistemin tümünün etkinliği değerlendirilirken ele alınan önemli bir faktör olduğundan bu birimin tasarım kriterleri hassas şekilde belirlenmelidir [5-6]. Yapılan çalışmada mikrodenetleyici tabanlı şebekeden bağımsız bir fotovoltaik enerji sistemi tasarlanmış ve laboratuarda pratik olarak gerçekleştirilmiştir. Şekil l'de blok diyagramı görülen sistem, güneş izleyici birimi, MPPT denetleyicisi ile kontrolü sağlanan akü şarj denetleyici ve gerilim kaynaklı inverterden oluşmaktadır. Sistemde güneş paneli, güneş izleyici yapı üzerine monte edilerek güneşin gün boyu takip edilmesi ve güneş ışınlarını dik şekilde alarak güneş ışığından maksimum seviyede faydalanılması amaçlanmıştır. Panellerden sağlanan enerjinin yeterli olmadığı
Yeni ve Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu ve Sergisi 3-4 Ekim 2003 Kayseri anlarda kullanılmak üzere akülü enerji depolama sistemi kullanılmış, bu sistemde güç akışı MPPT denetleyicisi kullanılarak anahtarlanan dc-dc dönüştürücü üzerinden kontrol edilmiştir. Seçilmiş harmoniklerin elimine edildiği darbe genişlik modülasyonu (SHE-PWM) sinyalleriyle dijital olarak kontrol edilen gerilim kaynaklı inverterin gerçekleştirilmesi ile sinüs formda regüleli çıkış gerilimi sağlanarak sistemde AC yüklerin etkin şekilde beslenmesi imkanı elde edilmiştir. Güneş izleyiciye sahip güneş paneli MPPT kontrollü şarj denetleyici AC Yük k. Akü 1 r i r Gerilim kaynaklı inverter Şekil 1. Gerçekleştirilen fotovoltaik güç sisteminin blok diyagramı 2. GÜNEŞ İZLEYİCİ BİRİMİ Bu sistemde, güneşin gün boyu hareketi izlenerek güneş panelinin güneş ışınlarını dik olarak alması, böylece de güneş paneline çarpan foton miktarının artırılması, maksimum güç çıkışının elde edilmesi amaçlanmıştır. Gerçekleştirilen sistemde tasarımın mümkün olduğunca basit ve piyasada yaygın elemanların kullanılmasıyla ilk yatırım maliyeti minimuma indirilmiştir. Panel kontrolünde sensör olarak panelin her iki ucuna yerleştirilen birer adet ışık bağımlı direnç (LDR) kullanılmıştır. LDR'lerde algılanan ışık şiddetleri farkına göre PIC16F873 mikrodenetleyicisi, panelin pozisyonunu kontrol etmek için kullanılan step motorun uygun yönde hareketini sağlamaktadır. Mikrodenetleyiciden gönderilen kontrol sinyallerine göre güneş izleyici sistem ile güneşin takibi gerçekleştirilir. Güneş tam dik şekilde görüldüğünde, her iki LDı^'de eşit ışık şiddeti, dolayısıyla da gerilim gözlenir ve step motorların sürülmesi için PIC tarafından uyartım sinyali verilmez. Sistemde histerezis aralığının bulunması güneş izleyicinin kararsız hareket etmesini önler. Ayrıca panelin açısal hareketini sınırlandırmak amacıyla panelin her iki ucuna limit anahtarları monte edilmiştir [7]. 3. MPPT KONTROLLÜ ŞARJ DENETLEYİCİ PV panellerin maksimum güç noktası olarak adlandırılan optimum bir çalışma noktası vardır. Bu nokta, hücre sıcaklığına ve ışık şiddeti seviyesine bağlı olarak değişir. PV panelden maksimum gücün çekilmesi için maksimum güç noktası izleyici (MPPT) kullanılır. Sistemin bu biriminde, hızlı şekilde değişen atmosferik şartlara uygun bir maksimum güç noktası izleyici algoritmasının gerçekleştirilmesi ve güneş enerjisi sisteminde yer alan akü biriminin bu yöntemle şarj edilmesi amaçlanmıştır. MPPT sisteminin dijital olarak kontrol edilmesi ile güç noktası izleyici algoritmasının sıcaklık değişimlerinden etkilenmemesi ve oldukça güvenilir olması sağlanmıştır. Kullanılan algoritmada akülerin aşın şarj veya deşarj olması gibi durumların dikkate alındığı ek kontrol modları da bulunmaktadır. Gerçekleştirilen MPPT kontrollü şarj denetleyici sistemin blok diyagramı şekil 2'de görülmektedir. PV panel çıkışı ile aküler arasında güç akış kontrolünü sağlamak ve PV panelin, maksimum güç noktasının izlenmesi amacıyla Buck-Boost tipi DC-DC dönüştürücü kullanılmıştır. Şekilde PV sisteminde yük olarak aküler bulunmakta, belirli atmosfer şartları için akü şarj akımı, PV çıkış gücüne ve akü gerilimine bağlı olmaktadır. Akü gerilimi, şarj düzeyine bağlı olarak arttığı zaman aşırı şarjın önlenmesi amacıyla sürekli olarak ölçülmektedir. 3.1. PV Panel PV panelin eşdeğer devresi, paralel bağlı bir diyoda sahip akım kaynağı olarak şekil 3'deki gibi gösterilir [8]. Akım kaynağının çıkışı panele düşen ışık miktarıyla doğru orantılıdır. Diyod, panelin I-V karakteristiğini belirler. Şekildeki seri direnç R s, akım akışına gösterilen iç direnci verir ve p-n eklem derinliğine, yarı iletkenin yapısına ve temas direncine bağlıdır. R sh paralel direnci, toprağa doğru olan sızıntı akımıyla ters orantılıdır. İdeal bir PV panelde R s =0 ve R sh = o olması istenir. PV dönüştürme verimi R s 'deki küçük değişimlerle orantılı iken R sh 'deki değişimlerden bağımsızdır. Eşdeğer devrede, belirli bir ışık seviyesinde üretilen akım (fotoakım) I ph, diyod akımı Ij ve toprağa doğru akan şönt akımı I sh olarak gösterilmiştir. 54
Yeni ve Yenilenebilir bnerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi 3-4 Ekim 2003 Kayseri MOSFET Akü ///,/// 12VDC Güneş Paneli DC-DC (BUCK-BOOST) DÖNÜŞTÜRÜCÜ ÎT Sürücü Devresi Şönt Direne \l\ Şarj Denetleyici PIC16F873 >V ref Şekil 2. Gerçekleştirilen MPPT kontrollü şarj denetleyici sistemin blok diyagramı Panelin açık devre gerilimi V ad, yük akımı sıfır olduğu durumda elde edilir ve denklem (1) ile verilir [9]. V ad =V g +IR sh (D Denklemde V g ve I, yük gerilimi ve akımını belirtmektedir. Diyod akımı, klasik diyod akımı ifadesi ile denklem (2)'deki gibi verilir. AKT Burada: Ij : Diyod doyma akımı Q : Elektron yükü : l,6.10' 19 Coulomb A : Eğri uydurma sabiti K : Boltzman sabiti: 1.38.1O 23 Joule/ K T : Mutlak skalada sıcaklık ( K) (2) Şekil 3. PV panelin eşdeğer devresi PV panelin elektriksel karakteristikleri genellikle akım-gerilim eğrisi ile gösterilir. Şekil 4, PV panel için akım-gerilim grafiğini vermektedir. Grafikte görüldüğü gibi eğri, üç önemli noktadan geçer. İlki, kısa devre akımı I kd 'dir ve gerilimin sıfır olduğu durumda eğrinin bulunduğu yerdir. olarak verilir. Buradan yük akımı denklem (3) ile verilir. ev,,,,,akt _ ı V ȧd R (3) Bu denklemde toprağa doğru olan sızıntı akımını veren son terim, I pn ve Ij ile karşılaştırıldığında pratikte çok küçüktür ve ihmal edilebilir. Şekil 4. PV panel I-V karakteristiği 55
Yeni ve Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi 3-4 Ekim 2003 Kayseri Bu noktada güneş panelinin çıkış gücü sıfırdır. İkinci nokta, açık devre gerilimi V ad 'dir ve akımın sıfır olduğu durumda eğrinin bulunduğu noktadır. Bu noktada da PV panelin çıkış gücü sıfırdır. Maksimum güç noktası, eğride A ile gösterilen noktada meydana gelir. Bu nokta genellikle I-V eğrisinin bükümü olarak adlandırılır. Eğride A noktasına karşılık gelen gerilim ve akım değerleri sırasıyla V^ı ve im,, olarak gösterilmiştir. 3.2. Buck-Boost Tipi DC-DC Dönüştürücü Şekil 5'te, buck-boost dönüştürücü güç katı şeması verilmiştir. Şemada güç anahtarlama elemanı n-kanal MOSFET (Qı ) kullanılmıştır. D, çıkış diyodu, L bobini ve C kondansatörü de çıkış filtresini oluşturur. Güç katı çıkışında görülen yük, R direnci ile gösterilmiştir. Q1 Şekil 5. Buck-boost dönüştürücü güç katı şeması Buck-boost dönüştürücünün güç katının normal çalışması esnasında Ql anahtarı, kontrol devresi tarafından periyodik olarak ON ve OFF konumlarına anahtarlanır. Bu anahtarlama, Ql, D ve L elemanlarının birleşim yerinde bir dizi darbe oluşumuna neden olur. L bobini, C çıkış kondansatörüne bağlı olmasına rağmen sadece D diyodu iletime geçtiği zaman etkin L/C filtresi meydana gelir. Bu durumda DC çıkış gerilimini ortaya çıkarmak için bu darbe dizisi filtrelenir. Güç katı, sürekli veya süreksiz akım modunda çalışabilir. Sürekli akım modu, tüm anahtarlama çevrimi boyunca bobinden geçen akımın sürekli olmasına göre karakterize edilir. Süreksiz akım modu ise bobin akımının anahtarlama çevriminin bir kısmında sıfır olmasına göre belirlenir. Sürekli iletim modunda her anahtarlama periyodunda buck-boost dönüştürücü için iki durum vardır. Bunlar Ql'in D ON konumunda diyodun OFF konumunda olduğu iletim durumu ve Ql'in OFF ve diyodun ON konumunda olduğu kesim durumudur. İletim süresi D.T S = T 0N ile verilir. Burada D, duty cycle olarak adlandırılır ve kontrol devresi tarafından belirlenir. Anahtarlama periyodu boyunca sadece iki durum meydana geldiği için kesim süresi (1 - D).T S olarak verilir. Kararlı durumda çalışmada bobin akımındaki net değişim bir periyod boyunca sıfır olmalıdır. Bu şart için V o çıkış geriliminin kararlı durum denklemi (4) ile verilebilir [10]. D \-D (4) D>0.5 için çıkış girişten daha büyük, D<0.5 için ise çıkış girişten daha küçüktür. Bu şekilde devre hem gerilim düşürücü hem de gerilim yükseltici dönüştürücülerin özelliklerini taşır. Sürekli bobin akımı modunda bobin akımı pozitif kalmalıdır. Buradan, sürekli akım modunda L bobininin endüktansı denklem (5) ile verilebilir. a-p) 2 R 2/ (5) Burada f, anahtarlama frekansını belirtir. Buckboost dönüştürücü için çıkış gerilimi dalgalılığı denklem (6) ile verilebilir. AV O= V o D RCf 3.3. MPPT Kontrol Algoritması (6) Gerçekleştirilen MPPT kontrol programının akış diyagramı şekil 6'da görülmektedir. Kontrol programında mikrodenetleyici için gerekli başlangıç ayarları yapıldıktan sonra dahili ADC modülü üzerinden akü uç gerilimi ölçülmektedir. Akü için üretici firma tarafından verilen maksimum gerilim seviyesinin aşılması durumunda aşırı şarjı önlemek için şarj kesilmektedir. Akü uç geriliminin 1 saniyelik gecikmenin ardından ölçülmesi, sistem verimi açısından düşünülmüştür. Daha sonra akü şarj gerilimi ve akımı ölçülerek mikrodenetleyicide 56
Yeni ve Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu ve Sergisi 3-4 Ekim 2003 Kayseri güç hesaplanır. "Eğim", programda "1" ve "-1" değerleri alabilen bir değişkendir ve PV panel çıkış gücü eğrisinde maksimum güç noktasına ulaşmak için takip edilen yönü belirler, a ise "0" ile "1" arasında bir sabittir. 8 bitlik bir mikrodenetleyici kullanıldığından dolayı a başlangıçta 1/256 değerinde seçilmiştir. Giriş gücü, bir önceki iterasyonda ölçülen değerle karşılaştırılarak eğim değişkeninin işaretine göre görev çevrimi değeri tekrar hesaplanarak değiştirilmiş veya güç eşit ise sabit kalmıştır. Bu yöntemle, maksimum güç noktası civarında sistemin kararlı durumda çalışması sağlanmıştır [11]. Başlat ADC modülünü başlat PWM modülünü başlat ve görev çevrimini başlangıç değerine ayarla Egim= 1 olarak ayarla 4. SHE-PVVM İNVERTER Elektrikli cihazların çoğu AC güç kaynağını kullandığından, güneş panellerinden elde edilen ve akülerde depolanan DC gücün AC güce dönüştürülmesi gerekir. Bu işlem, DC giriş gücünü statik olarak AC çıkış gücüne dönüştüren inverterler tarafından gerçekleştirilir. Bir inverterin güç devresi, statik anahtar olarak çalışan yarı iletken güç elemanlarından oluşur. İnverterler her bir statik anahtarlama elemanının doğru zamanlama ve sıra ile iletime sokulup iletimden çıkarılması için gerekli kontrol devresine sahip olmalıdır. Yarı iletken anahtarlama elemanları, kontrol devresine bağlı olarak inverterin giriş uçlarındaki DC kaynağın çıkış uçlarında AC olarak görünmesini sağlayacak şekilde periyodik olarak çalıştırılırlar. Bu AC gerilim, istenen yüksek genlikli AC gerilime dönüştürülür. Çoğu PV sistemlerde olduğu gibi bu sistemde de, aküden alınan DC gerilimin, AC yüklerin beslenmesi için kullanılması amacıyla gerilim kaynaklı PWM inverter gerçekleştirilmiştir. Panel gerilim V(p) ve akımını l(p) ölç Gücü hesapla P(p)=V(p)I(p) Görev çevrimini değiştir Gorev_cevrimi=Gorev_cevrimi+a.Egim Eğim işaretini değiştir Şekil 6. MPPT kontrol algoritması program akış diyagramı Şekil 7'de görülen tek fazlı gerilim kaynaklı köprü inverter, PIC16F873 mikrodenetleyicisinin ürettiği PWM kontrol sinyallerinin sürücü devresinde yükseltilerek IGBT'leri sürmesi ile kontrol edilmektedir. Çıkış geriliminin transformatörle yükseltilerek filtre edilmesiyle de AC çıkış gerilimi elde edilmektedir. Mikrodenetleyicinin dahili ADC'si AC çıkış geriliminin regüle edilmesinde kullanılmış, çıkış gerilimi sinyallerinin sentezi SHE PWM algoritması kullanılarak yapılmıştır. Devrede DC kaynak olarak, karakteristik değerleri 12V, 12Ah olarak verilen ve şarjı, sistemdeki MPPT kontrollü şarj edici ile sağlanan kuru tip bir akü yer almaktadır. PWM darbelerinin ilk yarım periyodu Tl ve T4 diğer yarım periyodu ise T3 ve T2 anahtarlama elemanlarına uygulanır. Şekilde görüldüğü gibi çıkış gerilimi, gerilim yükseltici bir transformatör ile 220VAC standart şebeke gerilimine yükseltilerek yaygın olarak kullanılan elektrik cihazlarının sistem ile beslenmesi olanağı sağlanmıştır. Çıkışta kullanılan filtre ile bu gerilim büyük ölçüde ideal sinüs dalgası formuna dönüştürülmektedir. 57
Yeni ve Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi 3-4 Ekim 2003 Kayseri V = 12Vdc Şekil 7. Gerçekleştirilen gerilim kaynaklı PWM inverterin açık şeması Gerçekleştirilen inverterin anahtarlama sinyallerinin sağlandığı SHE PWM metodunda istenen çıkış gerilimi, anahtarlama açılarının hesaplanmasıyla elde edilmektedir. Bu metotla minimum anahtarlama sayısında sadece seçilen harmoniklerin eliminasyonu sağlanmaktadır. Ancak hesaplama ve hafıza gereksinimlerine bağlı olarak hesaplama işleminin eş zamanlı yapılması zordur. Bu tekniğin temel avantajları yüksek gerilim kazancına ve düşük anahtarlama frekansına sahip olmasıdır. Yüksek güç uygulamaları için de uygundur [12]. SHE PWM tekniği matematiksel olarak, düşük seviyeli harmoniklerin sıfır, temel harmoniğin bire eşitlendiği bir dizi lineer olmayan denklemle ifade edilir. Üç seviyeli PWM dalga şekli için Fourier katsayıları denklem (7) ile verilir [13]. a n = (cosna, -cosna 2 + nîi cosna m ) (7) önemli düşük seviyeli harmonik bileşenlerinin elimine edilmesi sayesinde yüksek frekanslı harmoniklerin ek filtre devreleri kullanılarak v ac yok edilmesi kolaylaştırılır. - İnverterde gerilim regülasyonunun sağlanması için doğrultulmuş çıkış gerilimi, gerilim algılayıcı devrede uygun bir seviyeye düşürülerek mikrodenetleyiciye geri besleme sinyali olarak uygulanır. Bu analog sinyal, dijital değere dönüştürülür ve referans değerle karşılaştırılır. SHE PWM algoritmasıyla hesaplanan darbe açıları, farklı modülasyon indeksi (M) değerleri için bulunur. Böylece çıkış geriliminin genlik regülasyonu, farklı M değerleri hesaplanarak sağlanabilir. Farklı M değerleri için önceden hesaplanan açılar PİC'in dahili RAM'inde depolanır. Gerçekleştirilen inverter kontrol algoritması şekil 8'de görülmektedir. Karşılık gelen PWM kontrol sinyalini üret Burada temel bileşen istenen bir değere, m-l'e kadar olan düşük seviyeli harmonikler ise sıfıra eşitlenir. Tek-fazlı inverter uygulamalarında bu durum, (8) ile verilen non-lineer denklem sistemini verir. COSÖT, -cosor 2 +...-cosor m _, COSOL = cos3or, -cos3or 2 +...-cos3a m _ i +cos3or m =0 cos(2m-l)a, -cos(2m-l)a 2 +... - cos(2m - l)oc m _, + cos(2m - l)a m - 0 (8) Mikrodenetleyicide tablolanmış değerler şeklinde saklanmak üzere açı değerlerinin hesaplanması, Nevvton iterasyonuna dayanır. Bu yöntemle, harmonik distorsiyon en aza indirilerek, m-l'e kadar olan harmonik bileşenler gerilim dalga şeklinden çıkarılır. En 58 Hayır r Karşılık gelen M değerini bul Tablo değerlerini oku Şekil 8. İnverter kontrol algoritması akış diyagramı
Yeni ve Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi 3-4 Ekim 2003 Kayseri 5. SİMÜLASYON VE DENEYSEL SONUÇLAR MPPT tabanlı şarj edici içeren güneş enerjisi sistemi, önceki bölümlerde anlatılan yöntemlerle geliştirildi ve laboratuarda test edildi. Sistemde kullanılan güneş paneli 25 C eklem sıcaklığı ve lkw/m 2 'lik ışık şiddetinde 100Wp güce ve 22V açık devre gerilimine sahiptir. PV panelin karakteristik özellikleri tablo 1'de görülmektedir. Tablo 1. Güneş panelinin karakteristik özellikleri Parametreler Değer Maksimum güç değeri, P lmx 100W Anma akımı, I MPP 5.6A Anma gerilimi, V MPP 17.8V Kısa devre akımı, I sc 6.3A Açık devre gerilimi, VQC 22V Nominal çalışma sıcaklığı 45 ±2 C MPPT tabanlı şarj edicide arabirim olarak kullanılan Buck-boost dönüştürücüdeki MOSFET 200V, 20A, hesaplanan çıkış kondansatörü 100 0,F ve çıkış bobini 100 i.h'dir. Farklı anahtarlama frekansı için simüle edilen güç değerleri ve verim hesaplanarak tablo 2'de verilmiş, sistemde anahtarlama frekansı 20 khz olarak seçilmiştir. Maksimum güç noktası izleyici sisteminin, PV panelin maksimum güç noktasını izlediği görülmüş, bu deneysel olarak PV panel kısmi olarak kapatılmak suretiyle de doğrulanmıştır. Tablo 2. DC/DC dönüştürücüde simülasyonla bulunan anahtarlama frekansı-güç verimi tablosu Frekans u gırfî W v p çıkıs Içıkış Pçıkıs Verim * gınş (khz) (/) d) (V) (A) (W) (W) (%) 5 17,8 5.12 17.7 4.42 91.2 78.23 85.77 10 15 20 17,8 17,8 17,8 4.29 4.31 4.32 16.48 16.59 16.62 4.12 4.14 4.15 76.5 76.77 76.9 67.89 68.68 68.97 88.74 89.46 89.68 Tablo 2'de görüldüğü gibi verim, 20kHz'lik anahtarlama frekansında maksimum olmaktadır. Anahtarlama frekansı yüksek değerlerdeyken çıkış gerilimi dalga şeklindeki dalgahlık azalmakta, kullanılan bobinin değeri düşeceğinden bobin boyutu ve sistem maliyeti azalmaktadır. Ancak yüksek frekanslarda da anahtarlama elemanlarındaki kayıpların artması dezavantajıyla karşılaşılır. Bu kriterler göz önüne alınarak dc-dc dönüştürücüde anahtarlama frekansı 20kHz olarak belirlenmiştir. DC/DC dönüştürücü sürekli akım modunda çalıştırıldığında güç MOSFET'inin uçlarındaki V DS geriliminin değişimi, şekil 9'da görülmektedir. PSPICE programıyla simüle edilen şarj denetleyicideki bobin akımı, yük akımı ve yük geriliminin değişimi ise şekil 10'da görülmektedir. Her iki şekil de girişe, çıkış gerilimi 17.8V olan panel bağlandığında ve f=20khz'lik anahtarlama frekansında D=0.48 değeri için elde edilmiştir. 15V ıov 5V r- -~ M r ı i i i : -Vnc r I 1 1 Şekil 9. DC/DC dönüştürücüdeki güç MOSFET'inin V DS gerilimi dalga şekli (V=5V/div, t=25/isn) -20 4. Ons ı».8ns Süre 5.2ms 5.6ns 6. Ons Şekil 10. Şarj denetleyicide bobin akımı, yük akımı ve yük gerilimi dalga şekilleri 59
Yeni ve Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu ve Sergisi 3-4 Ekim 2003 Kayseri İnverter sisteminin performansı çeşitli AC yükler için incelenmiş, şekil ll'de sırasıyla çıkışta 40W gücünde akkor lamba ve 100W gücünde üniversal motor bulunması durumunda gözlenen inverter çıkışı akım ve gerilim dalga şekilleri verilmiştir. İnverter çıkışında L=10mH, C=4 if değerlerine sahip L-C filtresi kullanılmış, bu durum için akım ve gerilim dalga şekillerinin sinüzoidal formda ve düşük toplam harmonik distorsiyona sahip olduğu görülmüştür. pı yüksek verime sahip olması hedeflenerek veriminin artırılması amacıyla güneş izleyici sistem ve Buck-Boost tipi DC-DC dönüştürücü içeren MPPT denetleyici başarıyla gerçekleştirilmiştir. MPPT kontrollü şarj edici sisteminde şarj gerilimi ve akımının, ışık şiddeti ve sıcaklıkla değiştiği, bu değişimlerin maksimum güç noktası izleyici tarafından hızlı şekilde algılandığı görülmüştür. Gerçekleştirilen inverterde anahtarlama, SHE- PWM tekniği ile yapılmış bu yöntemle minimum anahtarlama sayısında sadece seçilen harmoniklerin eliminasyonu sağlanmıştır. Bu teknik, yüksek gerilim kazancına ve düşük anahtarlama frekansına sahip olması ve yüksek güç uygulamaları için de uygun olması avantajlarına sahiptir. Sistemlerle ilgili çeşitli deneysel sonuçlar, sistemin etkinliğinin belirlenmesi amacıyla verilmiştir. KAYNAKLAR [1] AKKAYA, R., KULAKSIZ, A.A., Solar and Wind Energy Applications of Power Electronics, IILUlusal Temiz Enerji Sempozyumu, pp.329-336, 2000. [2] EL-SHAFY, A., NAFEH, A., FATEN H., ESSAM, M:, ABOU EL-ZAHAB, A., Evaluation of a Proper Controller Performance for Maximum-Power Point Tracking of A Stand-Alone PV System, Solar Energy Materials & Solar Cells, No.75, pp.723-728, 2003. Şekil 11. İnverter çıkışına (a) 40W gücünde akkor lamba (b) 100W gücünde üniversal motor bağlanması durumunda ölçülen yük gerilim ve akımı dalga şekilleri 6. SONUÇLAR Fotovoltaik sistemlerin veriminin artırılması yönünde yapılan çalışmalar daha fazla güneş paneli kullanım gereksinimini azaltarak, PV sistemlerin toplam maliyetinin düşürülmesi açısından önemli olmaktadır. Yapılan bu çalışmada, bir fotovoltaik güç sisteminin [3] CALAIS, M., HINZ, H., A Ripple-Based Maximum Power Point Tracking Algorithm For A Single-Phase, Grid-Connected Photovoltaic System, Solar Energy, Vol. 63, No.5, pp.277-282, 1998. 4] MAHESHAPPA, H.D., NAGARAJU, J., MURTHY, M.V., An Improved Maximum Power Point Traçker Using a Step-up Converter with Current Locked Loop, Renevvable Energy, Vol.13, No.2, pp.195-201,1998. [5] DURISCH, W., TILLE, D., Testmg of small sinusoidal-inverters for photovoltaic standalone systems, Applied Energy, No. 64, pp. 417-426, 1999. Malana Mühendisleri Odası 60
Yeni ve Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi 3-4 Ekim 2003 Kayseri [6] HERMANN, U., LANGER, H.G., Low Cost DC To AC Converter For Photovoltaic Power Conversion in Residential Applications, Proc. IEEE PESC'93, p.588-594, 1993. [7] KULAKSIZ, A.A., AKKAYA, R., PIC Kontrollü Fotovoltaik Enerji Sistemi Uygulaması, Gap IV. Mühendislik Kongresi Bildiriler Kitabı, pp.468-473, 2002. [8] APPELBAUM, J., Starting and steady-state characteristics of de motors powered by solar celi generators, IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. EC-1, No. 1, pp.17-25, 1986. [9] PATEL, M.R., Wind and Solar Power Systems, CRC Press, 1999. [10] Hart, D.W., Introduction to Power Electronics, Prentice-Hall International,Inc., 1997. [11] KOUTROLİS, E.K., KALİTZAKİS, K., VOULGARİS, N.C., Development of a Microcontroller-Based Photovoltaic Maximum Power Point Tracking Control System, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 16, No.l,pp.46-54, 2001. [12] ENJETI, P.N., ZIOGAS, P.D., LINDSAY, J.F., Programmed PWM techniques to eliminate harmonics: a critical evaluation, IEEE Trans., Ind. Applications, Vol.26, no.2, pp.302-316, 1990. ÖZGEÇMİŞ Arş.Görv. Ahmet Afşin KULAKSIZ 1978 yılında Eskişehir'de doğdu. Lisans öğrenimini 1998 yılında Selçuk Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Elektrik- Elektronik Mühendisliği Bölümü'nde, Yüksek Lisans öğrenimini ise 2001 yılında Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik- Elektronik Mühendisliği A.B.D.'da tamamladı. Şu anda Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü'nde Doktora öğrenimi devam etmektedir. Çalışma alanları yenilenebilir enerji kaynaklan, güç elektroniği ve mikrodenetleyicilerdir. Yrd.Doç.Dr. Ramazan AKKAYA 1963 yılında Aksaray'da doğdu. Lisans öğrenimini 1986 yılında Yıldız Teknik Üniversitesi Elektrik Mühendisliği Bölümü'nde, Yüksek Lisans ve Doktora öğrenimini de sırasıyla 1988 ve 1995 yıllarında Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik Mühendisliği A.B.D.'da tamamladı. 1998 yılından beri Selçuk Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü'nde Yardımcı Doçent olarak görev yapmaktadır. Çalışma alanları güç elektroniği, elektrik makinalannm kontrolü, elektrik güç kalitesi ve alternatif enerji kaynaklarıdır. [13] LI, L., Optimal PWM Techniques in Voltage Source Inverters, Ph.D. dissertation, Dept. of Elect. Eng., Polytechnic University, U.S.A., 1999. 61
Yeni ve Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi 3-4 Ekim 2003 Kayseri LEJYONER HASTALIĞI VE GÜNEŞ ENERJİLİ SICAK SU ÜRETİM SİSTEMLERİ Necdet ALTUNTOP Yusuf TEKİN Erciyes Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü altuntop@erciyes.edu.tr ytekin@erciyes.edu.tr ÖZET Çeşitli kaynaklardan gelen şebeke kullanım sularında değişik bakteri ve mineraller bulunabilmektedir. Bu bakterilerden biride Lejyoner hastalığına sebep olan Legionelladır. Bakterilerden korunma için, kullanma suları, kimyasal, biyolojik ve diğer yöntemler ile arıtılmaktadır. Arıtma yapılmaması çeşitli bakterilerden kaynak-lanan hastalıklara sebep olabilir. Kullanma sularının arıtılmadan kullanılması ve sonuçta meydana gelen olumsuzluklar için klima, havalandırma ve güneş enerjili sıcak su sistemlerini sorgulamak veya suçlu bulmak doğru bir yaklaşım değildir. Bu çalışmada, Lejyoner hastalığı ve bu hastalığa sebebiyet veren Legionella bakterisi hakkında bilgi verilecektir. Çeşitli güneşli sıcak su temin sistemlerinin Lejyoner hastalığı ile direk bağlantısının olmadığına işaret eden açıklamalar ve bilgiler verilecektir. ABSTRACT Water supplied by different reserviors, can contain some bacterium and minerals. One of this bacterias is Legionella pneumophila causes to the Lejyoner illness. The water is used at home, are purifıed by chemical, biological and other methods. If water is not purified, it would cause some illness because of the bacterium and microbe. Air conditioning, ventilation and solar energy systems can not be accused without taking precausions about water purifıcations. in this work, information has given about Lejyoner illness and Ligionella bacteriom cause to the Lejyoner illness. information is also given about that there is no direct relations between solar hot water supply systems and Lejyoner illness. 1. GİRİŞ Güneş enerjisinden bugünkü anlamda faydalanma ve sıcak su temini, 1930 yıllardan beri değişik ülkelerde yaygın olarak kullanılmaktadır. 1958 de NASA da seçici yüzeylerin üretimi ile, önemli mesafeler alınmıştır. 1973 yılındaki Arap-îsrail savaşı sonucunda İsrail'i destekleyen ülkelere uygulanan petrol ambargosu, enerji krizinin çıkmasına ve petrol fiyatlarının aşın yükselmesine sebep olmuştur. Enerji krizine aranan çözümler çerçevesinde güneş enerjisi alanındaki bilimsel çalışmalar, büyük bütçeli devlet destekleri ile hızlanmıştır. Türkiye de, güneş enerjisi konusunda 1960'h ve 70'li yıllarda çalışmalar yapılmış olsa da, toplumun güneş enerjisinden faydalanması, 1974 Kıbrıs barış harekatı sonrası olmuştur. Türkiye de, ticari anlamda güneş enerjisi ile sıcak su üretimi 80 li yıllarda başlamıştır. Günümüzde fosil yakıt fiyatlarındaki artış tekrar Güneş enerjili sıcak su ısıtmanın büyük oranda popüler olmasını ve kullanımının yaygınlaşmasını gündeme getirmiştir. Bu gelişme-ye rağmen, güneş enerjisi sistemlerinin özellikle turizmin geliştiği Akdeniz ve Ege sahillerinde büyük miktarda sıcak su tüketen otel ve tatil köylerinde yeterli oranda yaygın kullanıma ulaşamamıştır. Otel yöneticileri güneş enerjili sıcak su üretim sistemlerini, Lejyoner hastalığı-na sebep olduğu gerekçesi ile kurdurmamakta-dırlar. Otel yöneticileri, ekonomik sebeplerden dolayı güneş enerjisi sistemlerine sıcak baktıklarını fakat, kendilerine müşteri getiren tur operatörlerinin, güneş enerjisi sistemi olan otellere Lejyoner hastalığı riskinden dolayı sıcak bakmadıklarını belirtmektedirler. 63
Yeni ve Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu ve Sergisi 3-4 Ekim 2003 Kayseri 2. LEJYONER HASTALIĞI VE KAYNAKLARI 2.2. Lejyoner Hastalığının Kaynakları 2.1. Lejyoner Hastalığı Nedir? 1976 yılında Philadelphia da ki Amerikan Ordu birliklerinde kısa sürede hastalanan 221 kişiden 34 kişinin ölümü ile sonuçlanan salgın olayından sonra yapılan araştırmalar sonucunda, hastalığa yol açan bakteri bulundu. Bakteriye Legionella Pneumophila ve hastalığa da Lejyoner hastalığı adı verildi. Hastalık temelde iki çeşit olup biri klasik Lejyoner hastalığı, diğeri Pontiyak hastalığıdır. Günümüzde bu hastalığın belirtisi, fizyolojisi ve tüm özellikleri çok iyi bilinmektedir. Bakterinin 35 den fazla çeşidi bulunmaktadır. Bakteri ph değeri 5.0^-8.5 arasında ve su içinde çözünmüş oksijen oranı 0.2-f 1.5 mg/lt olan suda rahatça yaşamaktadır. Bakterinin kuluçka süresi 2-^10 gün civarındadır. Lejyoner hastalığı genelde salgınlar halinde görülmekle birlikte ara sıra bireysel vakalara da rastlanmaktadır. Hastalık Türkiye de nadir görülmekle birlikte, özellikle batı ülkelerinde yaygındır. Legionella enfeksiyonları çoğunlukla yaz sonu ve sonbaharda ortaya çıkmaktadır. Erkeklerde kadınlara oranla daha fazla görülmektedir [1-4]. Klasik Lejyoner hastalığında, hastanın ateşi 40.5 C ye kadar yükselmekte ve solunum yetersizliğinden ölüm meydana gelebilmektedir. Hastalı-ğın ölümle sonuçlanması; hastayı etkileyen bak-teri miktarına, hastanın yaşma, sigara içip-içmemesine, kronik bir rahatsızlığı, alkol bağımlılığı, akciğer hastalığı, ileri yaş, kronik böbrek yet-mezliği, kanser, vücut bağışıklık sistemi ile ilgili bir sorunu (HIV-AEDS gibi) olup olmamasına bağlıdır. Hastalık antibiyotiklerle tedavi edilebil-mekle birlikte, iyileşme her zaman garanti değildir. Bakteriyi alan kişilerde hastalık kendisini, ateş, öksürük, halsizlik, kas ağrısı, iştahsızlık, baş ağrısı, göğüs ağrısı, balgam gibi etkiler ile gösterir. Lejyoner hastalığını atlatan kişilerde, fiziksel zayıflıklar olmakta ve yaşam kaliteleri düşmektedir [ 1-4]. Tablo-1 de, Legionella bakterisinin sebep olduğu hastalıklar ve bu hastalıklar ile ilgili ayrıntılı tıbbi bilgi verilmektedir. Legionella bakterisinin doğal barınma ortamı su ve nemli topraktır. Fakat hastalığı yayan, kaynak Legionella bakterisi içeren sudur. Hastalık daima çevreden bulaşır. Bir insandan diğerine geçmez, akarsu ve nehir gibi doğal su kaynaklarında bakteri düşük konsantrasyonlarda bulunur ve zararı dokunmaz. Ancak ılık su gibi kafi derecede organik besin bulunan ortamlarda hızla çoğalır. Bu çoğalma sonucunda bakterili suyun püskürtüldüğü ve solunduğu ortamlarda tehlikeli olmaya başlar. Çoğalma hızı, su içerisinde devamlı değişen koşullara bağlıdır. Periyodik olarak suyu tahlil ettirerek, mevcut Logionella sayısını ölçülmelidir. Logionella bakterisi barındırma açısından bakıldığında, örneğin; soğutma kulelerindeki sularda 1 000 ünite/ml ve akarsularda 1 ünite /mi civarında bakteriye rastlanmıştır. Hangi seviyede Logionellanın güvenilir olduğu hususunda doyurucu bir yanıt henüz mevcut değildir. Genel kanı, hastalık yapıcı ortamın etkisinde kalma miktarı ile riskin arttığı yönündedir. Yani, çok yoğun bakteri içeren ortamlar kişiler tarafından solunmadığı sürece risk yaratmaz [1-3]. Bakteri içeriği açısından bakıldığında, kullanma suyu temin kaynağı olarak durgun baraj suları ve yüzeysel kuyu suları çok riskli, derin kuyu suları az risklidir. Kuyu derinlikleri arttıkça risk azalır. Legionella bakterisi içeren kullanma sularında, kullanma öncesi düzenli klorlama yapıldığında bakteri ortadan kalkar. Genellikle kullanma suları klorlandığında, suya ilave edilen klor miktarı 0.5 ila 3.5 ppm civarında olmaktadır. Kullanma suyuna 3.5 ppm klor ilave edildiğinde Legionella bakterisi 24 saat, 16 ppm klor ilave edildiğinde ise 15 dakika yaşayabilmektedir. Klor oranı arttıkça bakterinin canlı kalma süresi kısalmakla birlikte, klor oranının artması insanları da rahatsız edebilir. Bu sebepten dolayı, kullanım sularında aşırı klor kullanma yerine, belirli dönemlerde su depolama tanklarını yüksek klor oranlı 60-f77 C sıcaklıktaki su ile yıkamak bakteriden korunmak için en sağlıklı ve emniyetli yoldur [1-3]. 64
Yeni ve Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi 3-4 Ekim 2003 Kayseri 2.3. Lejyoner Hastalığının Yayılması Legionella bakterisi; yaşayan, ve çoğalan bir organizmadır. Bakteriden korunmak için işletmenin kontrolü, personelin korunma donanımı, zararlının tanınması ve maruz kalınan sürenin bilinmesi önemlidir. Lejyoner hastalığına yakalanma genelde aşağıdaki birbirini takip eden sıralama ile gerçekleşmektedir. Bunlar; 1- Legionella bakterisinin barınabileceği çevresel bir su kaynağı, 2- Bakterinin çoğalmasına neden olan faktörler, 3- Organizmanın kaynaktan hastalığa elverişli kişilere yayılma araçları, 4- Kişilere bulaşabilmek için yeterli derecede dayanıklı bir bakteri grubunun olması, 5- Bu organizmaların enfeksiyon meydana getirebilmek üzere kişilere nüfuz edebilmesi, 6- Mikrop kapmaya yatkın ve enfeksiyona karşı mücadele gücü zayıf bir kişinin olması, şeklinde sıralanmaktadır [2]. Sıralamada, son aşamaya gelindi ise yapılacak pek bir şey yoktur. Çünkü aşı gibi herhangi bir korunma yöntemi henüz bulunmamıştır. Hastalığın yayılma sıralamasındaki ilk üç kademedekilere müdahale edilip tedbir alınabilir. 2.4. Legionella Bakterisi Hangi Tesisatlarda Bulunabilir Legionella su da uzun süre yaşar. Oda sıcaklığında, distile edilmiş suda aylarca, çeşme suyunda ise bir yıldan fazla, nem oranı yüksek havada uzun süre canlı kalabilmektedir. Nem oranı düştüğünde kısa sürede ölür. Depolanan ve durgun sularda, uzun süre canlı kalabilir. Bakteri barındıran suyun kullanıldığı ve buharlaşma veya zerrecikler halinde çevredeki solunan havaya geçmesi ile tüm ortamlarda yayılabilir. Havada 5-r 15 [im boyutundaki su damlacıkları ile kolayca insanlara geçer. İçerisinde su partikülleri içeren nemli hava yani aereosol üreten cihazlar bakterinin esas kaynağıdır. Solunan aerosol ortam içerisindeki su damlacıkları yoluyla organizma akciğere taşınır ve enfeksiyon başlar. Bakterinin yayılma araçları; - Doğal nemli hava kullanan havalandırma tesisatları, Su ile nemlendirilmiş hava kullanan iklimlendirme (klima) tesisatları. Nemli hava kullanmayan split veya iç ve dış ortamdaki havaların birbirine karışmadığı pencere tipi klima cihazları bu kapsamda değildir. - Çamaşır tekneleri (makineleri hariç), - Bulaşık eviyeleri veya tekneleri (makineleri hariç), - Duşlar, - Buharlaştırıcılar (konvektif tip ve düşük sıcaklıkta çalışanlar), - İklimlendirme sistemleri için kullanılan sulu soğutma kuleleri, - Basmçlı-pülverize su sağlayan musluklar, gibi solunan havaya bakterili küçük su zerreleri saçan tüm sistemlerdir. Buharlı nemlendirmeli klima sistemleri, su ile gelen Legionella bakterisi riskinden uzaktır. Bu nedenle Legionella bakterisi ile su kaynağında mücadele ve çoğalmanın önlenmesi daha doğrudur [4,5]. Tablo-1 Lejyonella infeksiyonlannın (Lejyoner ve Pontiak hastalıklarının) özellikleri (3). Lejyoner Hastalığı Etken Legionella pneumophila (serogrup 1 ve 6), Legionella micdadei Kuluçka süresi 2-10 gün Belirtiler Ateş, öksürük, halsizlik, kas ağrısı, iştahsızlık, baş ağrısı, göğüs ağrısı, balgam, diyare, laterjiensefalopati Pnömoni, palevral sıvı Akciğer bulguları Diğer organlar Prognoz Konak Sinusit, perikardit, perirektal abse, pyelonefrit, peritonit, pankreatit, endokardit Uygun antibiyotik tedavisine rağmen % 15-20 civarında ölüm Çeşitli nedenlerle (yaş, alkol, sigara alışkanlığı, başka hastalık ve uygulanan tedavi vs.) bağışıklık sisteminin baskı landığı bireyler Pontiyak Hastalığı Legionella pneumophila, Legionella micdadei Ateş, üşüme, kas ağrısı, baş ağrısı, balgamsız öksürük - - Bir haftada kendi kendine iyileşir. Sağlıklı bireyler 65
Yeni ve Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi 3-4 Ekim 2003 Kayseri Legionella'lı bir su kaynağı olup olmadığını bilmek, çoğalmayı etkileyen faktörleri saptamayı kolaylaştırır. Bunun için; suyun sıcaklığı, ph değeri, organik besin miktarı, durgunluğu, demir bileşikleri, amino asitler bakteri üremesini hızlandırdığından, suyun sürekli kontrol edilmesi gereklidir. Bu yöntemin dışında; hastalığın ortaya çıkmasını beklemek ve sonra tedbir almak sağlıklı bir yol değildir [3]. Hastalığın önlenebilir olduğunu bilmek, tamamen önlemeye yetmemektedir. Esas yapılması gereken hastalığın ortaya çıkmasını bekleyerek tedbir almak yerine, hastalığın ortaya çıkması olası olan yerleri ve kaynakları kontrol altında tutmak için tedbirler almaktadır. Legionella bakterisinin yapısında bol miktarda dallanmış yağ asidi bulunmaktadır. Bu yağ bakteriyi yüksek sıcaklığa dayanıklı hale getirir. Legionella bakterisinin canlı kalabileceği sıcaklık aralığı yapay ortamlarda +25 + +43 C, doğal ortamlarda 0 C ile + 63 C dir. Bu sebeple Legionella veya diğer su ile gelebilecek bakterilerden korunmanın en sağlıklı yolu, duşlar veya diğer cihazlardan sağlanan sıcak sularının en az 63 C veya üzerine ısıtılarak, içerisinde olabilecek Legionella ve diğer bakterilerin ölmesini sağlamaktır. Duş veya benzeri kullanım yerlerinde ihtiyaç duyulan su sıcaklığı 63 C nin altında da olsa, su 63 C ye ısıtılıp sonra bataryada, soğuk su ile karıştırılıp kullanım sıcaklığına düşürülmelidir. Legionella bakterisi-nin yaşaması ve çoğalması için en ideal su sıcak-lığı 35+37 C dir. Isıtma şebekelerinde 35+45 C a yükseltilen ve duşlarda kullanılan su, yoğun bakteri içerebileceğinden tehlikeli olabilir [3]. 3. LEJYONER HASTALIĞININ GÜNEŞ ENERJİSİ İLE İLİŞKİSİ Güneş enerjisi tesisatlarında kullanılan güneş kol-lektörü, boru, vana, pompa, su depolama tankı, ısı değiştiricileri ve diğer tesisat elemanlarının Legionella bakterisinin oluşması, çoğalması ve yuvalanması ile kesinlikle hiçbir ilgisi yoktur. Bakteri güneş enerjisi sistemine, kullanım suyu ile kaynaktan gelmektedir. Güneş enerjisi sistemine gelen su, içme ve kullanma suyu olarak kullanılan suyun aynıdır. Ayrıca, binalarda sıcak su temini için kullanılan kombi, şofben, her tür sıcak su boylerlerindeki suyun aynıdır. Güneşli sıcak su üretim sistemlerine şebekeden gelen su içinde Legionella bakterisi olabilir. Bu su, güneş enerjisi sistemine geldiğinde su sıcaklığı artacağından, bakteri çoğalmak için uygun sıcaklıkta ortam bulabilir. Eğer suyun sıcaklığı artırılarak 63 C veya üzerine çıkartılırsa, muhtemelen içerisinde bulunan bakteriler öleceği için hastalık riski ortadan kalkar. Bu açıklamaların ışığında, bakterinin üremesi ve hastalıklara sebep olma riski açısından bakıldığında, 63 C dan düşük sıcaklıklarda sıcak su üreten her türlü boyler, şofben veya kombi cihazları aynı riski taşımaktadır [5]. 3.1. Güneşli Sıcak Su Tesisatlarının Uygulama Şekilleri Sıcak su üretimi yapan tüm cihaz ve sistemlerin, fabrika üretim ayarlarından başlayarak en düşük sıcak su üretme sıcaklığı 63 C olmalıdır. 63 C 'un altında sıcak su üretme riski olan güneş enerjisi sistemleri ve benzeri tüm cihazların, çıkışlarına, buradan çıkacak ve sıcaklığı 63 C ye yükseltecek boyler mutlaka konulmalıdır. Güneş enerjili olsun veya olmasın herhangi bir sıcak su ısıtma boylerinde bölüm 2.4 de belirtilen amaçlar için kullanılıyor ise ihtiyaç duyulan su sıcaklığı 63 C den daha düşük de olsa, en az 63 C sıcaklıkta, sıcak su üretecek şekilde işletilmelidir [5]. 3.2. Sıcak Su Tesisatlarının Bağlantı Şekillerinin İncelenmesi Genellikle, kullanım için sıcak su verilen konut, otel, tatil köyü gibi hizmet birimlerinde, kombi Şofben veya sıcak su boyleri ile sıcak su üretiliyor ise; kullanıma verilen su sıcaklığı kesinlikle 63 C veya üzerinde olmalıdır. Şekil-1 de uygulamada sıcak su üretimi için yaygın kullanılan klasik gömlekli bir boylerde, şebekeden gelen soğuk su sıcaklığının ne olduğuna bakılmaksızın mutlaka 63 C ve üzerinde bir sıcaklığa çıkarılması gereklidir [5]. 66
Yeni ve Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu ve Sergisi 3-4 Ekim 2003 Kayseri -FTT Sıcak su kullanım -FFF -*- Soğuk su şebeke girişi Boyler" IXH/r MJXh-ı Şekil-1 Klasik boylerli sıcak su üretim sistemi tesisat bağlantı şeması Kullanım sularının arıtma işleminden geçirilmediği ve Şekil-1 de ki gibi tesisat bağlantısının uygulandığı sıcak su temin sistemlerinde legionella bakterisinin bulunma riski kesinlikle çok yüksektir. Şekil-1 de verilen tesisat şemasında güneş enerjisi sistemi ile her hangi bir ilişkisinin olmadığı dikkate alındığında, legionella bakterisi ile sıcak kullanma suyu arasında aranması gereken ilişki, kullanma suyunun kaynağında her hangi bir arıtmanın olup olmadığı veya kullanılan su sıcaklığının en az 63 C olup olmadığıdır. Uygulamada, maalesef konut, fabrika, otel ve tatil köylerinde kurulan güneş enerjili sıcak su sistemleri, Şekil-2 deki gibi kurulmaktadır. Şekildeki tesisat, sıcak su üretimi için doğru bir tesisat olmakla birlikte, böyle bir tesisatın tüm yıl boyunca istenilen sıcaklıkta sıcak su üretmesi mümkün değildir. Bilindiği üzere, yaz aylarında, birim alana gelen güneş ışınımı 2-r3 kat, şebeke suyu sıcaklığı 3-f4 kat kış aylarına göre yüksek olmaktadır. Güneşli yaz aylarında, 63 C ve üzerinde sıcak su üretebilen güneşli sıcak su üretim sistemlerinde, kış, ilkbahar, sonbahar aylarında ve kapalı yaz günlerinde dahi 63 C a ulaşılmayabilir. Güneş enerjili sıcak su üretim sistemlerinin Şekil-2 de ki gibi tesis edilmesi Legionella bakterisi barındırma ve bakterinin önlenmesi açısından risk taşımaktadır [5]. Güneş kollektörleri Otomatik kontrol cihazı Sıcak su kullanım Sıcak su tankı pompa grubu Kapalı genleşme deposu Boşaltma oğuk su şebeke girişi Şekil-2 Güneş enerjili sıcak su temin sistemi tesisat bağlantı şeması 67
Yeni ve Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi 3-4 Ekim 2003 Kayseri Lejyonella bakterisinden korunmanın en emin yolu, güneş enerjisi sistemlerini, klasik sıcak su üreten boyler sistemi ile birlikte çalışacak şekilde tesis etmektir. Şekil-3 de Güneş enerjisi sıcak su temin sistemi ile klasik boylerli sıcak su ısıtma sisteminin birbirlerine bağlantılı olarak çalışması için gerekli bağlantılar yapılmış bir tesisat şeması görülmektedir [5]. Güneş enerjisi sisteminden günün durumuna göre farklı sıcaklıklarda elde edilen su, sıcak su kazanından beslenen bir boylerden geçirilmektedir. Güneş enerjisi sisteminden üretilen su sıcaklığı 63 C nin üzerinde bir sıcaklıkta ise, tesisatı yönlendiren otomatik kontrol sistemi, sıcak su kazanını çalıştırmaya gerek duymayacak aksi durumda sıcak su kazanını çalıştıracaktır. Şekil-3 deki tesisat bağlantı uygulaması, kaynak suyundan veya sıcak su hazırlama sistemlerinin herhangi bir safhasında ortaya çıkabilecek Legionella bakterisinin canlı kalma olasılığını ortadan kaldıracağı için en güvenli ve sağlıklı bir tesisat uygulamasıdır. 4. SONUÇLAR VE SONUÇLARIN İRDELENMESİ Legionella bakterisi, damıtık saf su dışındaki tüm sularda az veya çok bulunabilir. Suda Legionella bakterisi bulunması, bu suyu kullanan insanlara bakterinin bulaşacağı anlamına gelmez. Hastalığın meydana gelmesi için bakterili suyun mikron mertebesinde küçük damlacıklar halinde aerosol oluşturarak havaya karışması ve havanın, teneffüs yolu ile insanların akciğerlerine ulaşması gereklidir. Bu hastalığın yayılması konusunda genel kanı, hastalık yapıcı ortamın etkisinde kalma miktarı ile riskin arttığı yönündedir. Yani, çok yoğun bakteri içeren ortamlardaki hava kişiler tarafından solunmadığı sürece risk yaratmaz. Kullanma sulan klor, ozon, ultraviole ışınlama, ve bakır - gümüş metalik iyon üreten sistemlerden biri ile dezenfektasyonu sağlanmalıdır. Binalarda içme ve kullanma sularının ağzı kesinlikle kapalı tutulmalıdır. Bakteriden korunmak için su kaynaklarının düzenli bakımı, temizliği, uygun ph ve sıcaklık değerleri sağlanmalı ve biyolojik seviye kontroller yapılmalıdır. Güneş kollektörleri Otomatik kontrol cihazı Emn. vent. Boşaltma oğuk su şebeke girişi Şekil-3 Güneş enerjili sıcak su temin sistemi ile klasik boylerli sıcak su temin sistemi tesisat bağlantı şeması Matına Mühendisleri Odası 68
Yeni ve Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi 3-4 Ekim 2003 Kayseri Klor oranı arttıkça bakterinin canlı kalma süresi kısalmakla birlikte, klorun artması insanları da rahatsız eder. Bu sebepten, kullanım sularında aşın klor kullanma yerine, belirli dönemlerde su depolama tanklarını yüksek klor oranlı 60+77 C sıcaklıktaki su ile yıkamak bakteriden korunmak için çok sağlıklı ve emniyetli bir yoldur. Bakteri içeriği açısından kullanma suyu kaynağı olarak durgun baraj ve yüzeysel kuyu suları (5+10 metreden çıkan) çok riskli, derin kuyu suları az risklidir. Kuyu derinlikleri arttıkça risk iyice azalmaktadır. Hastalıktan korunmak için işletmenin kontrolü, personelin korunma donanımı, zararlının tanınması ve maruz kalınan sürenin kontrolü önemlidir. Çünkü aşı gibi bir korunma yöntemi henüz bulunmamıştır. Legionella suda uzun süre yaşar. Oda sıcaklığında, distile edilmiş suda aylarca, çeşme suyunda ise bir yıldan daha uzun süre, nem oranı yüksek havada uzun süre canlı kalabilir. Nem oranı düştüğünde kısa sürede ölür. Depolanan ve durgun kalan sularda uzun süre canlı kalabilir. Su içinde barınan bakteri, bu suyun kullanıldığı ve buharlaşması ile oluşan zerrecikler aracılığı ile çevredeki solunan havaya geçer. Buradan da tüm ortamlara yayılabilir. İçerisinde su partikülleri içeren nemli hava yani aeresol üreten cihazlar en iyi bakteri yayma araçlarıdır. Solunan aerosol ortam içerisindeki su damlacıkları yoluyla bakteri akciğere taşınır ve enfeksiyon başlar. Havada 5+15 fim boyutundaki su damlacıkları ile kolayca insanlara geçer. Legionella bakterisinin yapısında bol miktarda dallanmış yağ asidi mevcuttur. Bu yağ bakteriyi yüksek sıcaklığa dayanıklı hale getirir. Legionella bakterisinin canlı kaldığı sıcaklık aralığı, yapay ortamlarda +25 + +43 C, doğal ortamlarda 0 C ile +63 C dir. Legionella ve su ile gelecek bakterilerden korunmanın en sağlıklı yolu, duşlar ve diğer cihazlardan gelen sıcak sularının en az 63 C a ısıtılarak, içerisinde olabilecek Legionella ve diğer bakterilerin ölmesini sağlamaktır. Duş veya benzeri kullanım yerlerinde ihtiyaç du-yulan su sıcaklığı 63 C nin altında da olsa, su 63 C ye ısıtılıp sonra kullanım yerinde, soğuk su ile karıştırılarak sıcaklığı düşürülmelidir. Legionella bakterisinin yaşaması ve çoğalması için en ideal su sıcaklığı 35+37 C aralığıdır. Isıtma şebekesine gelen ve 35+45 C sıcaklıklara yükseltilen ve ardından duşlarda kullanılan su yoğun bakteri içerebileceğinden tehlikeli olabilir. Güneş enerjisinden gelen kullanma suyu sıcaklığı artırılarak 63 C a çıkartılırsa, hastalık riski ortadan kalkar. Sıcak su üretimi yapan şofben, kombi gibi tüm cihaz ve sistemlerin, fabrika üretim ayarlarından başlayarak en düşük sıcak su üretme sıcaklığı 63 C olmalıdır. 63 C 'un altında sıcak su üretme riski olan güneş enerjisi sistemleri ve benzeri cihazların, çıkışlarına, su sıcaklığını 63 C ye yükseltecek bir boyler mutlaka konulmalıdır. Güneş enerjisi tesisatlarında kullanılan güneş kolektörü, boru, vana, pompa, su depolama tankı, ısı değiştiricileri ve benzeri tesisat elemanlarının Legionella bakterisinin oluşması, çoğalması veya bakterinin yuvalanması ile kesinlikle hiçbir ilgisi yoktur. Güneş enerjili sıcak su sistemlerinde yıl boyunca istenilen sıcaklıkta sıcak su üretmesi mümkün değildir. Bilindiği üzere, yaz aylarında, birim alana gelen güneş ışınımı 2+3 kat, şebeke suyu sıcaklığı 3+4 kat kış aylarından yüksektir. Güneşli yaz aylarında, 63 C ve üzerinde sıcak su üretebilen, güneşli sıcak su üretim sistemlerinde, kış, ilkbahar, sonbahar aylarında ve havanın kapalı olduğu yaz günlerinde dahi 63 C a ulaşılmayabilir. Lejyonella bakterisinden korunmanın en emin yolu, güneş enerjisi sistemlerini, klasik sıcak su üreten boyler sistemi ile birlikte çalışacak şekilde tesis etmektir. Mukimi Mühendisleri Odası 69
Yeni ve Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi 3-4 Ekim 2003 Kayseri Kullanım sularının her hangi bir arıtma işleminden geçirilmediği ve şekil-1 de ki gibi tesisat bağlantısının uygulandığı sıcak su temin sistemlerinde legionella bakterisinin bulunma riski çok yüksektir. Şekil-1 de verilen bu tesisat şemasında güneş enerjisi sistemi ile her hangi bir ilişkisinin olmadığı dikkate alındığında, legionella bakterisi ile sıcak kullanma suyu arasında aranması gereken esas ilişki, kullanma suyunun kaynağında her hangi bir arıtmanın olup olmadığı veya kullanıma verilen su sıcaklığının en az 63 C olup olmadığıdır. Bakterinin yayılmasındaki en tehlikeli kaynak klima sistemlerinin sulu soğutma kuleleridir. Hava akımı ile bu kulelerden yayılan bakteri ortamdaki tüm havaya yayılmaktadır. KAYNAKLAR 1) Altuntop N., Tekin Y., "Güneş Enerjili Sıcak Su Üretim Tesisleri ve Lejyoner Hastalığı ile İlişkisi", Tesisat Dergisi say. 84-92" Şubat 2003. 2) İlken Z. "Lejyoner Hastalığı Üzerine", Çeviri, Tesisat Mühendisleri Derneği Teknik Bülteni, sayı-26, sayfa 14-15, Ağustos 1997. 3) Ustaçelebi Ş, "Temel ve Klinik Mikrobiyoloji", s; 559-567, Güneş Kitapevi, Ankara, 1999 4) Mandel G.L., Bennet J.E. and Dolin R., "Principles and Practice of Infectious Diseases", 4. th ed. Churchill Livingstone, N. York, 1995 5) Altuntop N.,"Güneş Enerjisi Ders Notlan", Basılmadı, Erciyes Univ., Kayseri, 2002 ÖZGEÇMİŞ Doç. Dr. Necdet ALTUNTOP 1982 yılında Erciyes Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümünden mezun oldu, 1985 de yüksek lisans ve 1989 da Doktora derecesini aldı ve aynı yıl Erciyes Üniversitesi Mühendislik Fakültesinde Yardımcı Doçent kadrosuna atandı. 1993-1994 yıllarında Amerika Birleşik Devletlerinde University of Nevada at Reno da "kapalı hacimlerin güneş enerjisi ile ısıtılması" ve "sanayide enerji auditleri" konularında bilimsel çalışmalarda bulundu. 1999 da termodinamik-isı tekniği bilim dalında Doçent unvanı aldı. Halen Erciyes Üniversitesi mühendislik fakültesi makina mühendisliği bölümünde görev yapmaktadır. 1998 yılından beri aynı fakültede dekan yardımcılığı görevini yürütmektedir. 1997-1999 yıllarında Erciyes Üniversitesi ısı santrali sorumluluğu, 1997 yılından beri Erciyes Üniversitesi Yapı işleri ve Teknik daire başkanlığında makine tesisat konularında kontrol mühendisliği yapmaktadır. 1997 yılından beri üniversite İriinyesinde bir çok sıcak sulu, buharlı ve kızgın sulu ısıtma, havalandırma, iklimlendirme ve güneş enerjili sıcak su hazırlama sistemlerinin proje, tasarım ve uygulamasını gerçekleştirdi. TTMD nin üyesi olup, Termodinamik, ısı geçişi, ısıtmahavalandırma, güneş enerjisi ve enerji yönetimi konularında 60 civarında yayınlanmış bilimsel çalışması bulunmaktadır. Arş. Gör. Yusuf TEKİN 1974 yılı Kayseri doğumludur. 1997 yılında Erciyes Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği bölümünde lisans öğrenimini, 1999 yılında da Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makina Ana Bilim dalında yüksek lisans öğrenimini tamamlamıştır. 1999 yılında Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalında doktora öğrenimine başlamış ve halen devam etmektedir. 1998-2002 yılları arasında Erciyes Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği bölümünde araştırma görevlisi ve aynı zamanda 1997-2001 yıllan arasında Erciyes Üniversitesi Yapı İşleri ve Teknik Daire Başkanlığında Makina Mühendisi olarak görev yapmıştır. 2002 yılından beri Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsünde araştırma görevlisi olarak görev yapmaktadır. 70
Yeni ve Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi 3-4 Ekim 2003 Kayseri BUJİ-ATEŞLEMELİ MOTORLAR İÇİN ALTERNATİF YAKITLARIN TEORİK DEĞERLENDİRİLMESİ VE PRATİK KULLANILABİLİRLİĞİ Hakan BAYRAKTAR Orhan DURGUN KTÜ, Sürmene Deniz Bilimleri Fak., Gemi İnşaatı Müh. Böl., 61530 Çamburnu-Sürmene-Trabzon (0462)752 28 05 hakanbav@ktu.edu.tr odurgun@ktu.edu.tr 0462 377 29 57. ÖZET Sunulan çalışmada; buji-ateşlemeli bir otomobil motorunda benzin, etanol ve LPG kullanılması durumunda, çeşitli çalışma koşullarındaki motor performans parametrelerinin teorik incelenmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla, motor çevrimini, sözü edilen yakıtlar için hesaplayan sanki-boyutlu bir termodinamik çevrim modeli geliştirilmiştir. Çevrim modelinde yanma işlemi, bir türbülanslı alev yayılması matematik modeliyle hesaplanmıştır. Bu model kullanılarak; benzin, etanol ve propandan oluştuğu varsayılan LPG yakıtları için çeşitli motor çalışma koşullarında sayısal uygulamalar gerçekleştirilmiştir. Hesaplanan motor performans parametreleri ve eksoz emisyonları çeşitli diyagramlarla karşılaştırılmıştir. Farklı devir sayıları ve ekivalans oranlarında yapılan karşılaştırmalar sonucu, motor performansı ve eksoz emisyonları açısından buji-ateşlemeli motorlar için en uygun yakıtın etanol (etilalkol) olduğu teorik olarak belirlenmiştir. GİRİŞ Buji-ateşlemeli motorların bir günlük yakıt tüketimleri yaklaşık olarak dünya petrol üretiminin üçte birine denk gelmektedir [1]. Sınırlı olan petrol kaynaklarının yakın gelecekte bu gereksinimi karşılayamayacağı tahmin edilmektedir. Ayrıca motorlar, şehirlerdeki hava kirliliğinin de en önemli kaynağıdır. Bu nedenlerle, taşıt motorlarının verimlerinin yükseltilmesi, motorlardan yayılan kirletici eksoz emisyonlarının azaltılması ve motorlar için uygun özelliklere sahip üretimi petrole dayalı olmayan alternatif motor yakıtlarının bulunması, motorlarla ilgili araştırmaların başlıca konularını oluşturmaktadır. Buji-ateşlemeli motorlarda kullanılabilecek alternatif yakıtlar: sentetik yakıtlar, alkoller ve gaz yakıtlar olarak sınıflandınlmaktadır[l, 2, 3]. Çeşitli alternatif yakıtların buji-ateşlemeli motorlarda kullanılması* ile ilgili bir çok çalışma yapılmıştır [1, 4, 5, 6, 7]. Bunların büyük çoğunluğu deneysel çalışmalar olup, sadece bir alternatif yakıt için gerçekleştirilmiştir. Bu nedenlerle, literatürde verilen sonuçlar genellikle; belirli bir motor için ve sınırlı sayıdaki çalışma koşulunda elde edilmiştir. Farklı alternatif yakıtların motorlarda yaratacağı etkileri gerçekçi bir şekilde karşılaştırmak için; benzer özelliklerdeki motorlarda çeşitli çalışma koşullarında her yakıt için motor çevrimini ve motor performansını incelemek gerekir. Bu türde bir çalışmanın teorik olarak gerçekleştirilmesinin, daha hızlı ve daha ekonomik olacağı açıktır. Bu nedenle sunulan çalışmada; buji-ateşlemeli motorlar için alternatif yakıt olarak önerilen etanol ve LPG nin (sıvılaştırılmış petrol gazı) bir bujiateşlemeli motorda kullanılmasının yaratacağı olası etkilerin teorik olarak belirlenmesi amaçlanmaktadır. Sunulan çalışmada önce buji-ateşlemeli motorlarda kullanılmaya uygun alternatif yakıtların genel özellikleri verilmektedir. İkinci olarak benzin, etanol ve propandan oluştuğu varsayılan LPG yakıtları için motor çevrimini ve motor performansını hesaplamak amacıyla geliştirilen matematik çevrim modeli kısaca tanıtılmaktadır. Daha sonra buji-ateşlemeli bir otomobil motorunda, çeşitli çalışma koşullarında her bir yakıt için elde edilen sonuçlar çeşitli diyagramlarla karşılaştırılmaktadır. ALTERNATİF YAKITLAR İçten yanmalı motorlarda kullanılacak yakıtların; ucuz ve bol miktarlarda üretilebilmesi, ısıl değerlerinin yüksek olması, 71