Proje Yüklenicisi: Doç. Dr. Muğdeşem TANRIÖVEN

Yıldız Teknik Üniversitesi

Elektrik-Elektronik Fakültesi

2008-İstanbul. Bu araştırma projesi “Projem İstanbul” kapsamında İstanbul Büyükşehir

Belediyesi tarafından hazırlatılmıştır. İstanbul Büyükşehir Belediyesi ve araştırmacının yazılı

izni olmadan çoğaltılamaz ve kopyalanamaz.

ARAŞTIRMA PROJESİ

FOTOVOLTAİK GÜNEŞ PANELLERİNİN GTS, MGİS VE SÜPER KONDANSATÖRLER KULLANARAK ŞEBEKE İLE PARALEL VE BAĞIMSIZ

ÇALIŞMASI DURUMLARINDA VERİMLİLİĞİNİN ARTTIRILMASI

PROJEM İSTANBUL

İÇİNDEKİLER

I. Genişletilmiş Türkçe Özet

II. Genişletilmiş İngilizce Özet

1. GİRİŞ

2. SİSTEMİN TEORİSİ VE TANITILMASI

2.1. Fotovoltaik Hücrelerinin Yapısı ve Çalışma Prensibi

2.2. Fotovoltaik Hücrelerde I-V Karakteristiği ve Maksimum Güç

2.3. Maksimum Güç İzleme Sistemi(MGİS)

2.4. Güneş Takip Sistemi (GTS)

A.) PANELLERIN SABIT EĞIM AÇISIYLA KONUMLANDIRILMASI

b.) Sabit Panellerin Yansıtıcılarla Birlikte Kullanımı

c.) Panellerin Tek Eksende Dönebilir Şekilde Konumlandırılması

d.) Panellerin Çift Eksende Dönebilir Şekilde Konumlandırılması

2.5. Fotovoltaik Sistemlerde Enerji Depolanması ve Süper

Kondansatörler

3. PROJENİN SEKTÖRÜN İHTİYACINA UYGUN OLARAK

DÜZENLENMESİ

4. ÇÖZÜM YAKLAŞIMI

4.1. MGİS ve GTS İçin Çözüm Yaklaşımı

4.1.1. MGİS

4.1.2. GTS

4.2. Fotovoltaik Beslemeli Aydınlatma Düzeneği İçin Çözüm

Yaklaşımı

5. PROJE KAPSAMINDA GERÇEKLEŞTİRİLEN ÇALIŞMALAR

5.1. Simülasyon Çalışmaları

5.1.1. Süper Kondansatör-Akü Hibrit Enerji Depolama Sistemi

Simülasyonu

5.2. Prototip Bir Sistem Üzerinde MGİS ve GTS Uygulaması ve

Sonuçları

5.3. Fotovoltaik Beslemeli Hibrit Aydınlatma Düzeneği Uygulaması

ve Değerlendirmesi

5.4. Ekonomik Analiz

6. SONUÇLAR VE DEĞERLENDİRME

KAYNAKLAR

Laboratuar Test Ortamına ait Fotoğraflar

I. Genişletilmiş Türkçe Özet

Güneş ışınımlarını direkt olarak elektrik enerjisine dönüştüren fotovoltaik güneş enerjisi

sistemlerinin günümüzde kullanımı giderek yaygınlaşmaktadır. Günümüzde fotovoltaik güneş

enerjisi sistemleri daha yaşanabilir bir İstanbul için çalışmalar yapan İstanbul Büyükşehir

Belediyemiz tarafından da birçok uygulamalarda kullanılmaktadır. Bunun en büyük nedeni

elektriğin ilgili cihaza(yüke) ulaştırılmasının bazı durumlarda çok zor olmasıdır. Bu tür zorlu

durumlar için fotovoltaik güneş enerjisi sistemleri bazen doğru bir seçim olabilmektedir.

Örneğin, çok şeritli otoyollar arasındaki ikaz ışıkları, yol sınır butonları ve levhaları, boğaz

boyunca uzanan deniz fenerleri vb.

Güneş enerjili ikaz lambası Güneş enerjili yol sınır butonu

Güneş enerjili deniz feneri

Fotovoltaik güneş enerjisi sistemlerinin ilk yatırım maliyetleri yüksek ancak, yakıt-enerji

maliyeti söz konusu olmadığından işletme maliyetleri çok düşüktür. Bu yapıların ilk yatırım

maliyetlerinin yüksek olması nedeniyle ilgili yük için boyutlandırılması, boyutlandırma

yapılırken de sistemin verimi önem arz etmektedir. Yaptığımız bu çalışmada sistemin

verimliliğinin artırılması için bazı yöntemler uygulanmıştır. Bu yöntemler, güneş ışınımlarından

optimum bir şekilde faydalanmak üzere Güneş Takip Sistemi (GTS) ve sistemden yüke

maksimum güç aktarımını sağlayan Maksimum Güç İzleme Sistemidir (MGİS). Ayrıca, enerji

depolama ünitelerinde aküler yerine süper kondansatörler kullanılıp kullanılamayacağı ve tüm

sistemin şebeke ile paralel ve bağımsız çalışması durumları da incelenmiştir.

1.1.1.1.1 Güneş Takip Sistemi (GTS)

Fotovoltaik yapılarda elde edilen elektriksel çıkış gücü panele düşen güneş ışığı miktarı ile doğru

orantılıdır. Gün içerisinde güneş ışınları farklı açılarla yerküremize ulaşmaktadır. Dolayısıyla

panellerinden maksimum elektrik enerjisi elde edebilmek için, fotovoltaik sistemin güneş

yörüngesini takip etmesi ile mümkündür. Güneş yörüngesini takip edip ışınımlardan maksimum

seviyede faydalanmayı amaçlayan bu sisteme güneş takip sistemi (GTS) denir. Güneş takibi tek

eksende yapılabildiği gibi daha yüksek verimlilik için iki eksende de gerçekleştirilebilir.

Böylelikle hem dünyanın günlük hareketi sonucu oluşan doğu-batı ekseninde ışınımın yön

değiştirmesinin hem de dünyanın yıllık hareketi sonucu oluşan kuzey-güney ekseninde ışınımın

yön değiştirmesinin sistem üzerine zayıflatıcı etkileri azaltılabilmektedir.

Tek eksende güneş takibi Çift eksende güneş takibi

1.1.1.1.2

1.1.1.1.3 Maksimum Güç İzleme Sistemi (MGİS)

Fotovoltaik sistemler genelde iki farklı çalışma durumuna sahiptir. Birinci çalışma

durumunda, direkt yüke bağlı olarak yükü beslerken, İkinci çalışma durumunda,

güneş panellerinden enerji elde edilemediği güneş ışınımının olmadığı zaman

dilimlerinde sistemin enerji devamlılığının sağlanması için enerjinin depolanmasını

sağlarlar. Elektrik enerjisinin depolanmasında yaygın olarak akümülatörler

kullanılmaktadır. Fotovoltaik yapı direkt yükü beslediği birinci durumda yük

gerilimlerinde, ihtiyaç fazlası enerjinin depolanmasında görev aldığı ikinci durumda

ise akümülatör gerilimlerinde çalışmaya zorlandığından güneş panellerinden

maksimum güç aktarımı yapılamamaktadır. Güneş panellerinden maksimum güç

aktarımı yapabilmek için yapısında kontrol edilebilir bir DC-DC dönüştürücü

barındıran sistemlere ihtiyaç duyulur. Panelleri, yük veya akümülatör gerilimlerinden

bağımsız kılan bu kontrollü arabirime maksimum güç izleme sistemi (MGİS) denir.

Maksimum güç takip sistemlerinin temel amacı, panel üzerine düşen ışınım

seviyesinde panelden elde edilebilecek maksimum gücün yüke veya depolama

sistemine aktarılmasıdır.

MGİS’ ye ait blok şeması ve uygulama devresi

Bu sistem, kontrollü bir DC-DC dönüştürücü ve kapalı çevrim bir geri besleme ile oluşturulmuş

ve bu sistemin kontrolü bir mikro denetleyici tarafından yapılmıştır.

1.1.1.1.4

1.1.1.1.5 Sonuçlar ve Değerlendirme

1) Fotovoltaik sistemler için süper kondansatörlerin batarya ömrüne olumlu etkisi ve

sadece süper kondansatörler kullanılacak ise depolama sisteminin ömrü üzerine

ciddi katkıları gözlenmiştir. Bununla birlikte kurulum üzerine getirdiği ek

maliyetlerinin yüksekliği sistem tasarımında göz önünde bulundurulmalıdır.

2) Fotovoltaik sistemlerin şebekeye bağlanabilmesine ait yönetmeliklerin henüz

hazırlanmamış olması nedeniyle şu an şebekeye paralel yapılar

oluşturulamamaktadır ancak, şebekeye bağlanabilen sistemlerde depolama

üniteleri kullanılmaması büyük bir avantajdır. Buna karşın şebekeye entegre

olabilen inverterler oldukça maliyetlidir.

Güç

Kaynağı

Kontrolör

DC-DC Dönüştürücü

Geri

BeslemeGösterge

Akümülatör

Panel

3) Fotovoltaik sistemlerde verim artışı için yöntemler kullanılacak ise;

a) MGİS birinci öncelikli olarak tercih edilmelidir. Çünkü,

i) % 10 verim artışı sağlanmaktadır.

ii) Düşük maliyetlidir.

iii) Hızlı geri ödeme süresine sahiptir.

b) MGİS+Tek eksen takip ikinci öncelikli olarak tercih edilmelidir. Çünkü,

i) % 30 verim artışı sağlanmaktadır.

ii) Yüksek maliyetlidir

iii) Bakım gerektirir / Arıza olasılığı vardır.

c) MGİS+Çift eksen takip ikinci öncelikli olarak tercih edilmelidir. Çünkü,

i) % 46 verim artışı sağlanmaktadır.

ii) Çok yüksek maliyetlidir.

iii) Bakım gerektirir / Arıza olasılığı tek eksenliye göre daha fazladır.

Test Laboratuarı

30 Watt gücünde bir fotovoltaik güneş paneline ait yer düzlemine ve panele gelen

ışınımları ve elektriksel çıkış gücünü farklı topolojiler için gösteren grafikler aşağıda

verilmiştir.

Sabit Panel (GTS yok) ve MGİS yok

Sabit Panel (GTS yok) ve MGİS var

GTS var(Tek Eksen) MGİS yok

GTS var(Tek Eksen) MGİS var

GTS var(Çift Eksen) MGİS yok

GTS var(Çift Eksen) MGİS var

1.1.1.1.6 Farklı Topolojilerde Panel Çıkış Güçleri

II. Extended English Absract

Solar radiation is converted directly into electrical energy by photovoltaic solar

energy systems, of which use are becoming increasingly common nowadays.

Todays, photovoltaic solar energy systems is also used in many applications by the

Istanbul Metropolitan Municipality, which study for more livable Istanbul. That's the

biggest reason for the device related to electricity (load) is very difficult in some

cases been reached. Photovoltaic solar energy systems sometimes can be a correct

choice for this type difficult situations. Multi-lane highway between the warning lights,

road border of buttons and signs and the lighthouse along the bosphorous, etc. are

the some example

1.1.1.1.7

Solar energy powered warning lamp Solar-energy powered road button border

Solar powered lighthouse

Altough the high initial investment costs of photovoltaic solar energy systems,

operating costs are very low because of free fuel-energy costs. Due to high initial

investment costs of these systems, the sizing and the efficiency of the system is is

very important. In this work we have implemented some methods for increasing the

efficiency of the system. These methods are Solar Tracking System (STS), which is

an optimal way to make use of solar radiation and maximum power point tracking

(MPPT) system to to transfer the Maximum Power to the load. Also as an energy

storage unit, the super-capacitor instead of the battery is considered for the stand

alone and grid connnected oparation.

Solar Tracking System (STS)

Electrical output power obtained from photovoltaic panels is directly proportional with

the amount of sunlight in the structures fall. The sun rays reach to Earth in different

angles during Dalights. Therefore, the maximum electrical power obtained from the

panel is possible only by tracking the sun path by the solar photovoltaic system. This

method is called solar tracking system (STS). As in single-axis sun tracking, two

axes tracking can also be realized for higher efficiency. Thus, the augmentationvin in

solar radiation by the reason of the world's daily movements in the east-west axis,

as well as the world's annual motion in the South-North motion cen be reduced.

Single axis solar tracking Two axis solar tracking

1.1.1.1.8

1.1.1.1.9 Maximum Power Point Tracking (MPPT)

Photovoltaic systems usually have two different operating conditions. The first case,

the system is connected directly feeding the load. In the second operation mode, the

energy storage provides the energy to ensure continuity of the system during the

period that solar panels can not obtained the energy from the solar radiation.

Batteries are used widely for the electrical energy stored. Naturally, photovoltaic

system in the first mode feeds the the system at load voltage, while feeds the energy

storage at batteries voltage in the second operating mode, which prevent from MPPT

operation. To make maximum power point transfer from the solar panel, we need a

system having DC-DC converter. this voltage load-controlled interface system is

called maximum power point tracking system (MPPT) which makes the PV panels

oeration independent of battery or load voltage.

The main goal of maximum power tracking system, is to transfer the maximum power

to load or energy storage system at the level of radiation falling on the panel.

The block diagram of MPPT and application circuit.

Results and Evaluation

1) The use of super capacitor for photovoltaic systems has the positive impact on

the battery life. However, the additional costs brought on the installation should be

considered in system design.

2.) Because of the regulations are not yet prepared related to grid connected

operation, the connection of Photovoltaic systems have not been implemented for

the moment. Moreover, the inverters that can be integrated to the network is very

costly.

1.1.1.1.10

1) If the methods to increase the efficiency of the photovoltaic systems is to be

used;

a) MPPT as the first priority should be preferred. Because;

i) 10% efficiency increase is provided.

ii) has low cost.

iii) has speedy payback period.

b) Single-axis sun tracking + MPPT should be preferred as the second

priority. Because,

i) 30% increase in efficiency is provided.

ii) has high installation cost

iii) Requires maintenance / has failure possibility.

c) Two-axis STS + MPPT should be preferred as the third priority. Because,

i) 46% increase in efficiency is provided.

ii) has very high installation cost.

iii) Requires maintenance / It has more failure possibility than that of

single axis STS.

Test Bench

The power and solar radiation at PV plane level and at earth surface level for 30

Watt are given as in the following figures for diffrent topologies.

Fixed Panel (No STS) and No MPPT

Fixed Panel (No STS) and there is MPPT

There is STS and no MPPT

There are both STS and MPPT

There are two axix STS and No MPPT

There are both “two axix STS” and MPPT

1.1.1.1.11 PV Panel power outputs for different topologies

Fotovoltaik Güneş Panellerinin GTS, MGİS ve Süper

Kondansatörler Kullanarak Şebeke ile Paralel ve

Bağımsız Çalışması Durumlarında Verimliliğinin

Arttırılması

ÖZET

Bu proje kapsamında kullanımı yerel yönetimler tarafından giderek yaygınlaşan

fotovoltaik güneş enerjisi sistemleri incelenmiş ve verimliliği artıran iki yöntemin

değerlendirilmesi yapılmıştır. Bu yöntemler, güneş ışınımlarından optimum bir şekilde

faydalanmak üzere Güneş Takip Sistemi (GTS) ve sistemden yüke maksimum güç

aktarımını sağlayan Maksimum Güç Takip Sistemidir (MGTS).

Güneş takip sisteminde gün içerisinde farklı açılarla yeryüzüne ulaşan güneş ışınımlarının

açıları bir takip edici ile tespit edilmekte ve bu açılarla panellerin konumlandırılması

prototip bir uygulamada gösterilmiştir.

Maksimum güç takip sisteminde ise fotovoltaik yapılardan alınabilecek olan elektriksel

gücün, yük veya çevresel şartlardan ötürü alınamamasının minimal seviyeye indirilmesi

amaçlanmıştır. Bu sistem, kontrollü bir DC-DC dönüştürücü ve kapalı çevrim bir geri

besleme ile oluşturulmuş ve bu sistemin kontrolü bir mikro denetleyici tarafından

yapılmıştır.

Fotovoltaik yapılarda yukarıda bahsedilen verimliliği artırıcı yöntemler, gerçek

uygulamadaki etkinliklerin belirlenmesi amacı ile dış aydınlatma

mekânlarından park, bahçe aydınlatması için uygun olacağını düşündüğümüz

bir aydınlatma düzeneği üzerinde uygulanmıştır. Bu şekilde Büyük Şehir

Belediye ve ilgili sektör olan “Şehir Aydınlatma ve Enerji Müdürlülüğü” için

ekonomik ve uygun kalitede aydınlatma sağlayan ve şebekeden bağımsız

olarak çalışabilen bir aydınlatma düzeneği oluşturulmuştur.

1. GİRİŞ

Tarihsel gelişim içerisinde elektrik enerjisi ihtiyacını karşılamak üzere ilk

olarak fosil yakıtları kullanan sistemler kullanılmıştır. Fosil yakıt

rezervlerinin hızla tükeniyor olması ve özellikle 20. Yüzyılın son

çeyreğinde baş gösteren fosil yakıtlarındaki maliyet artışı enerji piyasasına

da yansımıştır. Artan fosil yakıt fiyatlarına paralel olarak birim elektrik

enerjisi fiyatları da yükselmiştir (Fahrenbruch ve Bube, 1983). Bununla

birlikte fosil yakıtların çevreye verdiği onarılması zor zararların dünya

gündemine girmesi tüm ülkeleri alternatif enerji kaynaklarına

yönlendirmiştir.

Alternatif enerji kaynaklarından biri olan güneş enerjisi çok eski

tarihlerden bu yana ısıtma ve sıcak su elde etmek amacıyla birçok

uygulamada kullanılmış olmasına rağmen güneş enerjisini direkt elektrik

enerjisine dönüştüren sistemler oldukça yenidir. Güneş pilleri adıyla

anılan bu dönüştürücü sistemler ilk olarak uzay çalışmaları için

geliştirilmiş; daha sonra şebekeden bağımsız yani, güç üretim merkezine

uzak olan deniz fenerleri, orman gözetleme kuleleri, telekomünikasyon

istasyonları, dağ evleri gibi yerlerde enerji ihtiyacını karşılamak üzere

kullanılmaya başlanmıştır (Fahrenbruch ve Bube, 1983).

Güneş enerjisi sistemleri ile şebekeden bağımsız halde herhangi bir yük

beslenebildiği gibi enterkonnekte sisteme bağlanmak suretiyle de enerji

üretimi yapabilmektedirler. Ancak güneş pili yapılarının verimlerinin çok

yüksek olmayışı ve kurulum maliyetlerinin yüksek olması nedeniyle birim

enerji fiyatı enterkonnekte sistemden alınabilecek enerjinin birim enerji

fiyatından pahalıdır. Bunun için güneş pili yapılarında verimliliğin

arttırılması için birçok yöntem geliştirilmiştir.

Güneş pilleri foton enerjisini kullanarak güneş ışığından elektrik enerjisi

üretirler. Buradan elde edilen elektriksel çıkış panele düşen güneş ışığı

miktarı ile doğru orantılıdır. Gün içerisinde güneş ışınları farklı açılarla

yerküremize ulaşmaktadır. Dolayısı ile güneş pilleri maksimum elektrik

enerji çıktısı elde etmek için güneş yörüngesini takip etmesi ile

mümkündür. Güneş yörüngesini takip edip ışınımlardan maksimum

seviyede faydalanmayı amaçlayan bu sisteme güneş takip sistemi (GTS)

denmektedir.

Güneş pilleri doğru akım üreten yapılar olup pillerin seri veya paralel

bağlanması ile verebilecekleri akım-gerilim seviyeleri değiştirilebilir. Bu

şekilde birden çok güneş pilinin birbirleriyle seri veya paralel

bağlanmasıyla oluşturulmuş tümleşik yapıya güneş paneli denilmektedir.

Güneş panellerinden güneş ışınımının olmadığı zaman dilimlerinde enerji

elde edilemediğinden ve bu zaman dilimlerinde sistemin enerji

devamlılığının sağlanması için gün içerisinde üretilen ihtiyaç fazlası

enerjinin depolanması gerekmektedir. Elektrik enerjisinin depolanmasında

yaygın olarak akümülatörler kullanılmaktadır. İhtiyaç fazlası enerjinin

depolanması esnasında güneş panelleri akümülatör, yük ile çalışırken yük

gerilimlerinde çalışmaya zorlandığından genelde güneş panellerinden

maksimum güç aktarımı yapılamamaktadır. Güneş panellerinden

maksimum güç aktarımı yapabilmek için ise kontrol edilebilir bir DC-DC

dönüştürücü olan maksimum güç takip sistemleri (MGTS)

kullanılabilmektedir.

Bu proje çalışmasında güneş panellerini belirli zaman aralığıyla güneşe

dik konumlandıran güneş takip sistemi (GTS) ve güneş panellerinden

depolama ünitesine maksimum güç transferi yapmak üzere geliştirilmiş bir

maksimum güç takip sisteminin (MGTS) benzetimi ve uygulama çalışması

yapılmıştır. Uygulamanın başarısını ortaya koyabilmek amacı ile birbiri ile

özdeş iki adet LED’li aydınlatma kulesi kullanılmıştır. Her iki kulede

enerjisini fotovoltaik güneş panellerinden almaktadır. Birinci panel klasik

şarj ünitesi ve aküden oluşurken diğer panele verim artırıcı yöntemler

kullanılmıştır. Ayrıca sistemin uygulama etkinliğini artırmak amacı ile

detayları aşağıdaki bölümlerde anlatılmış olan hibrit aydınlatma düzeneği

kullanılmıştır.

2. SİSTEMİN TEORİSİ VE TANITILMASI

2.1. Fotovoltaik Hücrelerinin Yapısı ve Çalışma Prensibi

Bir fotovoltaik hücresinin çalışma prensibi klasik p-n jonksiyonlu diyot ile

çok benzerdir. Işık jonksiyon tarafından absorbe edilince, absorbe edilmiş

foton enerjisi malzemenin elektron yapısına aktarılır ve jonksiyon civarında

oluşan boşluk bölgesinde, ayrışan yük taşıyıcıların oluşmasına neden olur.

Jonksiyon bölgesindeki elektrik yükü taşıyıcıları bir potansiyel oluşturur ve

harici bir devre üzerinde akım sirkülâsyonu olur. I2.Rdevre elektrik enerjisine

dönüşen güç olup, geriye kalan ve elektrik enerjisine dönüşmeyen foton

gücü fotovoltaik hücrenin sıcaklığını arttırır.

Işık

p - kontağı

n - kontağı

I

e

V

p

n)( Boşluk

Bölgesi

Delik

Elektron

Birikmiş pozitif yükler

Birikmiş negatif yükler

FotonFoton

(-)

Şekil 1. Fotovoltaik hücre yapısı ve çalışması

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 yamamlar.

Bir fotovoltaik 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.

p- tipi yarı iletken

n- tipi yarı iletken elektron

delik

Alt kontak

Üst kontakAnti-yansıtıcı

Saydam yapıştırıcıCam kaplama

AKIM

Şekil 2. Bir fotovoltaik hücrenin katmanları

2.2. Fotovoltaik Hücrelerde I-V Karakteristiği ve Maksimum

Güç

Bir fotovoltaik hücreye ilişkin akım-gerilim ilişkisi aşağıdaki gibi çizilebilir.

Şekil 3.’te gösterilen A noktası, maksimum gücün elde edildiği noktadır.

0 5 10 15 20 250

1

2

3

4

Gerilim (V)

Akım

(A

)

A Isc

Imax

Vmax Voc

Şekil 3. Bir fotovoltaik hücrenin I-V karakteristiği

Fotovoltaik hücreler doğru akım ürettiklerinden bir panelden yüke aktarılan

güç ifadesi, IVP şeklindedir. Bu güç ifadesi kullanılarak Şekil 4.’de bir

güneş paneline ait akım-gerilim ve aynı panele ait güç-gerilim

karakteristiği üzerinde maksimum güç noktası (MGN) gösterilmiştir (Volker,

2005).

Şekil 4. Fotovoltaik panele ait I–V ve P–V karakteristikleri üzerinde maksimum güç noktası

Şekilden de görüldüğü gibi bir fotovoltaik panelden belirli bir akım-gerilim

noktasında maksimum güç alınabilmektedir. Sistemden maksimum gücü

elde edebilmenin iki önemli ölçütü vardır. i.) Eğer sistem herhangi bir

kontrol işlemi yapılmaksızın çalıştırılır ise, bu durumdaki çalışma noktası,

yükün I-V karakteristiği ile kaynağın I-V karakteristiğinin kesiştiği nokta

P max

V mgn

I mgn

MGN

olur. Yani kaynak maksimum güç noktasında sürekli olarak çalışmaz.

Çünkü kaynağın maksimum güç noktası gün içerisinde sürekli olarak

değişir. Bu değişime yükünde değişimi ilave edilir ise, sistem doğal halinde

MGN noktasında çalışmaz. Bu durum maksimum güç izleme sistemi ile

giderilebilir. ii.) İkinci olarak kaynağın P-V karakteristiği üzerindeki MGN

noktası panele gelen güneş radyasyonun dik bileşen büyüklüğü ile

orantılıdır. Yani panelin normali ile güneş ışınımlarının arasındaki açı sıfıra

ne kadar yakın ise, MGN noktası o oranda büyüyecektir. Kısaca güneş

takip sistemlerinin fotovoltaik panele monte edilmesi ile güneş

ışınımlarından maksimum fayda sağlanmış olacaktır.

2.3. Maksimum Güç İzleme Sistemi(MGİS)

Güneş panellerinden maksimum güç aktarımı yapabilmek için yapısında

kontrol edilebilir bir DC-DC dönüştürücü barındıran sistemlere ihtiyaç

duyulur. Panelleri, yük veya akümülatör gerilimlerinden bağımsız kılan bu

kontrollü arabirime maksimum güç İzleme sistemi (MGİS) denir.

Maksimum güç izleme sistemlerinin temel amacı, panel üzerine düşen

ışınım seviyesinde panelden elde edilebilecek maksimum gücün yüke

veya depolama sistemine aktarılmasıdır.

Şekil 4.’ten de görüldüğü gibi bir fotovoltaik panelden sadece belirli bir

akım-gerilim noktasında maksimum güç alınabilmektedir. Bir fotovoltaik

panele ait maksimum güç noktası, güneşten gelen ışınım, ortam sıcaklığı

vb. gibi şartlara bağlı olduğundan bu nokta değişkendir. Şekil 5.’te örnek

bir fotovoltaik panelin farklı ışınımlar altında I-V karakteristiği üzerinde

maksimum güç noktaları gösterilmiştir (Salas vd. 2006).

Şekil 5. Fotovoltaik panelin farklı ışınımlar altında I–V karakteristiği ve maksimum güç noktaları

Güneş panellerinin I-V karakteristiği üzerine gelen ışınıma bağlı olarak

her ışınım değeri için farklılık gösterir. Bu durumda her bir farklı I-V

karakteristiği için farklı maksimum güç noktaları söz konusudur.

Maksimum güç noktasını değişken kılan bir diğer faktör ise sıcaklıktır.

Şekil 6.’da farklı sıcaklık seviyelerinde panele ait akım-gerilim

karakteristiği ve bu karakteristik üzerinde maksimum güç noktaları

gösterilmiştir.

Şekil 6. Üç farklı sıcaklık seviyesinde fotovoltaik hücreye ait I–V karakteristiği ve maksimum güç

noktaları

MGN MGN MGN

MAKSİMIUM GÜÇ NOKTASI (MGN)

MGN

MGN

MGN

I

V

Sıcaklık artışı güneş panellerinin çalışmalarına olumsuz etkimekte ve

verimlerini düşürmektedir. Akım-gerilim karakteristiklerine dikkat edilirse

ışınımın akım üzerinde, sıcaklığın ise gerilim üzerinde etkin olduğunu

söylenebilir (Salas vd. 2006).

Maksimum güç izlemesi yapan sistemler, güneşten gelen ışınım ve

sıcaklık gibi faktörler nedeniyle maksimum güç noktası değiştiğinden,

panelden maksimum verimin alınabilmesi için maksimum güç noktasının

daima takip edilmesini sağlayan ve fotovoltaik sistemi bu noktada

çalıştıran bir elektronik devredir. Güneş takip sistemi gibi mekanik bir

yapıya sahip değildirler; ancak güneş takip sistemleri ile birlikte

kullanılabilirler.

MGİS’ler güneş panellerinin sürekli maksimum güç noktasında çalışmasını

sağlayarak maksimum güç aktarımını sağladıkları gibi, her zaman

maksimum güç aktarımı sağladığından ihtiyaç duyulan aynı enerji miktarı

için kullanılacak olan güneş panellerinin sayısının azalmasına yol açarak

maliyetlerin de azalmasını sağlamaktadırlar.

Fotovoltaik yapılar ile yük veya akümülatör grupları arasındaki güç

aktarımındaki uyumsuzluğu gidermek üzere birçok devre yapısı

oluşturulmuştur. Birçok MGİS yapısında bir DC-DC dönüştürücü veya

anahtarlamalı güç kaynağı (AGK) bulundurmakta ve fotovoltaik hücre ile

yük arasında görev yapmaktadır (Salameh, 1988). MGİS’ler de genelde

yükseltici, alçaltıcı veya hem yükseltici hem de alçaltıcı olan anahtarlamalı

güç kaynağı yapıları kullanılmakta ve bütün çeşitler açık çevrim veya

kapalı çevrim bir kontrol devresi bulundurmaktadır (Batcheller, 1993).

MGİS’de bulunan anahtarlamalı güç kaynağı yapısı, yükün çalışmakta

olduğu gerilimden bağımsız olarak fotovoltaik paneli maksimum gücün

sağlandığı gerilimde çalıştırma görevini yerine getirmektedir. Geri

beslemeli kontrol devresi ise, çalışma durumuna göre giriş-çıkış gerilim

oranlarını daima en uygun seviyede tutmaya çalışmaktadır. Şekil 7’de

dönüştürücülü bir MGİS’ye ait blok diyagramı gösterilmiştir (Batcheller,

1993).

Şekil 7. MGİS blok diyagramı

PV

PANEL

DC-DC

DÖNÜŞTÜ-

RÜCÜ YÜK

GERİ BES.

KONTROL D.

MGİS

2.4. Güneş Takip Sistemi (GTS)

Dünyamızın günlük ve yıllık hareketi nedeniyle güneşten yeryüzüne gelen

ışınımların açısı değişmektedir. Dolayısı ile güneş pillerinden maksimum

elektrik enerjisi elde edebilmek için, fotovoltaik sistemin güneş yörüngesini

takip etmesi ile mümkündür. Güneş yörüngesini takip edip ışınımlardan

maksimum seviyede faydalanmayı amaçlayan bu sisteme güneş takip

sistemi (GTS) denir. Güneş takip sistemine sahip olmayan fotovoltaik

yapılar ışınım yoluyla ulaşan bu enerjiden belirli bir seviyenin üstünde

faydalanamazlar. Bu nedenle, bu proje ile GTS’ye sahip olan fotovoltaik

yapıların böyle bir sisteme sahip olmayan yapılardan daha verimli

oldukları ortaya konulmaya çalışılmıştır.

Günümüzde kullanılmakta olan düzlemsel fotovoltaik güneş panelleri

genel olarak dört farklı biçimde yerleştirilmektedir.

E.) PANELLERIN SABIT EĞIM AÇISIYLA KONUMLANDIRILMASI

Bu tür konumlandırma, Şekil 8.’de gösterildiği gibi panelin kuzey güney

doğrultusu üzerine sabit bir eğim açısıyla, kuzey yarım kürede ise güneye,

güney yarım kürede ise kuzeye yönlendirilmesiyle sağlanır (Batman,

1991). Sabit eğimli güneş panelleri bulundukları bölgenin enlem açısından

farklı eğimlerle yerleştirilebilmektedir.

Şekil 8. Güneş panelinin sabit açılı konumlandırılması

f.) Sabit Panellerin Yansıtıcılarla Birlikte Kullanımı

Sabit eğimli, hareketsiz paneller ışınım alma oranını arttırmak üzere

yansıtıcı yapılar ile birlikte kullanılabilmektedir (Şekil 9.). Böylelikle

güneşten gelen direkt ışınımlar ile yansıtıcı yapıdan yansıyan ışınımların

toplamı panele etkimektedir. Etkiyen bu ışınımlar yansıtıcısız panellere

göre daha fazla olduğundan bu yapılar yansıtıcısız panellere göre daha

yüksek güç üretim yoğunluğuna sahiptir (Matsushima, 2002).

Şekil 9. Sabit panellerin yansıtıcı ile birlikte kullanımı

g.) Panellerin Tek Eksende Dönebilir Şekilde Konumlandırılması

Panellerin tek eksenli dönebilir şekilde konumlandırılması genelde Şekil

10.’da gösterildiği gibi panellerin kuzey-güney doğrultusu üzerine sabit bir

açı yaparak ve mekanizmanın paneli dönme ekseni etrafında (doğu-batı

doğrultusunda) döndürebilecek şekilde dizayn edilmesiyle sağlanır

(Gilbert, 2004).

Yatay Düzlem Eğim Açısı

Güneş Paneli

Yansıtıcı

Şekil 10. Güneş panellerinin tek eksende dönebilir şekilde konumlandırılması

h.) Panellerin Çift Eksende Dönebilir Şekilde Konumlandırılması

Panellerin çift eksenli dönebilir şekilde konumlandırılması Şekil 11.’de

gösterildiği gibi panellerin bir mekanizma sayesinde hem kuzey-güney

doğrultusunda hem de doğu-batı ekseninde döndürebilecek şekilde dizayn

edilmesiyle sağlanır.

Şekil 11. Güneş panellerinin çift eksende dönebilir şekilde konumlandırılması

2.5. Fotovoltaik Sistemlerde Enerji Depolanması ve Süper

Kondansatörler

Fotovoltaik sistemler genelde iki farklı çalışma durumuna sahiptir. Birinci

çalışma durumunda, direkt yüke bağlı olarak yükü beslerken, ikinci çalışma

durumunda, güneş panellerinden enerji elde edilemediği güneş ışınımının

olmadığı zaman dilimlerinde sistemin enerji devamlılığının sağlanması için

enerjinin depolanmasını sağlarlar. Elektrik enerjisinin depolanmasında

yaygın olarak akümülatörler kullanılmaktadır. Son yıllarda yapılan

çalışmalarda, akümülatörlerin yanı sıra, süper kondansatörlerinde

kullanılması üzerine çalışmalar yapılmaktadır.

Süper kondansatör temel olarak elektrolitik kondansatörler yapısında

olmasına rağmen içyapısında yapılan değişiklerle aynı hacimde çok daha

büyük bir sığaya sahip olan bir enerji depolama aygıtıdır.

Doğru gerilim ile çalışmaları ve günümüzde gelişen teknolojisiyle enerji

yoğunluklarının aküler seviyesine doğru artması nedeniyle alternatif bir

enerji depolama aygıtı olarak fotovoltaik yapılarla kullanılması gündemde

olan yapılardır. Akülerden en büyük avantajı dolma boşalma ömürlerinin

yaklaşık 1000 kat fazla olması ve yüksek güç yoğunluğuna sahip

olmasıdır. Buna karşın yüksek bir maliyeti vardır. Bunları maddeler halinde

yazarsak,

• Güç yoğunluğu bataryalara göre oldukça yüksektir.

• Ömürleri (Dolma boşalma çevrimi) bataryalara göre çok fazladır.

(1000000 kez doldurulup boşaltılabilirler.)

• Pahalıdırlar.

3. PROJENİN SEKTÖRÜN İHTİYACINA UYGUN OLARAK

DÜZENLENMESİ

Literatür ve prototip model üzerinde yapılan çalışmalar sonucu proje

çıktılarının bir uygulama üzerinde gösterilmesinin daha uygun olacağı

kanaati oluşmuştur. Örneğin güneş enerjili bir park aydınlatma aygıtını

projede belirtilen sistemlerle destekleyerek proje sonucunda beklenen

fayda ve katkıları daha net bir şekilde ortaya koymak mümkün olacaktır.

Ayrıca bu durumda araştırma projesi belediye ve ilgili Şehir aydınlatma ve

Enerji müdürlülüğü için sadece yazılı bilgilerde kalan bir proje olmaktan

çıkıp sonuçları kullanılabilir bir çalışma olabilecektir.

Bu nedenle, fotovoltaik yapılarda yukarıda bahsedilen verimliliği artırıcı

yöntemler, gerçek uygulamadaki etkinliklerin belirlenmesi amacı ile dış

aydınlatma mekânlarından park, bahçe aydınlatması için uygun olacağını

düşündüğümüz bir aydınlatma düzeneği üzerinde uygulanmıştır. Bu

amaçla; alçak basınçlı sodyum buharlı ve LED’lerden oluşan bir park

aydınlatma düzeneği oluşturulmuştur ve projenin nihai çıktıları oluşturulan

bu aydınlatma aygıtı üzerinde uygulanmıştır. Bu şekilde Büyük Şehir

Belediye ve ilgili sektör olan “Şehir Aydınlatma ve Enerji Müdürlülüğü” için

hem ekonomik ve hem de uygun kalitede aydınlatma sağlayan ve

şebekeden bağımsız olarak çalışabilen bir aydınlatma düzeneği için

gerekli düzenlemeler ve tavsiyeler ortaya konmuştur.

4. ÇÖZÜM YAKLAŞIMI

4.1. MGİS ve GTS İçin Çözüm Yaklaşımı

4.1.1. MGİS

Maksimum güç izleme sisteminin oluşturulması amacı ile “Tepeye

Tırmanma” algoritması kullanılmıştır. Bu amaçla fotovoltaik sisteme

deneme amaçlı gerilim artırımı ve azatlımı yapılır ve çıkış gücünde oluşan

değişimlere bakılarak karar verilir. Bu algoritmada bir döngü süresinde

aşağıdaki basamaklar adım adım uygulanır.

i. Çevrim içi süreyi değiştirerek N gerilim oranını değiştir.

ii. Bir önceki çevrimde fotovoltak panelden alınan güç ile yeni

çevrimde alınan güç değerini karşılaştır.

iii. Eğer bir önceki çevrimde alınan güç değeri yeni güç değerinden

büyükse gerilimin artım veya azalım yönünü değiştir.

iv. Başa dönerek döngüyü tekrarla

Şekil 12.’ de uygulanan algoritma doğrultusunda yapılan iterasyon sonucu

güç noktasındaki değişim gösterilmiştir (Batcheller, 1993).

YENİP

YENİP

YENİP

ESKİP

ESKİP

ESKİP

N’i Azalt

N’i Azalt

N’i Azalt

Şekil 12. Tepeye tırmanma algoritması doğrultusunda yapılan iterasyon sonucu güç noktasındaki

değişim

Şekilden de görüldüğü gibi sistem, maksimum noktada çalışıyorsa dahi bu

nokta etrafında salınım yaptırılarak maksimum güç izlenmesi yapılan bir

metottur. Yapı olarak basit olduğu için çokça kullanılan bir yöntemdir. Bu

metot güneş ışınımları değişiminin az olduğu sistemlerde avantajlı bir

algoritmadır (He vd., 1998).

4.1.2. GTS

Güneş takip sisteminin yapılabilirliğini ortaya koymak üzere panellerin tek

eksende dönebilir şekilde konumlandırılması ve kontrolüyle oluşan GTS

oluşturulmuş ve sayısal olarak hareketsiz sabit panellerle karşılaştırılmıştır.

Güç

Kaynağı

Gösterge

Kontrolör

Algılayıcı

Çıkış Katı

Motor

YENİP

YENİP

ESKİP

ESKİP

N’i Artır

N’i Artır

Güneş takip sistemine ait donanım yapısı temel olarak, güç kaynağı,

algılayıcı, kontrolör, çıkış katı ve motor kısımlarından oluşmaktadır. Güç

kaynağı, kontrolör ve motorun ihtiyacı olan enerjiyi sağlamak üzere

tasarlanmış olan bir doğru akım kaynağıdır. Algılayıcı katında iki adet

algılayıcı bulunmaktadır. Bunlardan bir tanesi, çalışma ortamının aydınlık

mı, karanlık mı olduğuna karar veren ve kontrolöre dijital sinyal gönderen

algılayıcı devredir. İkinci kısımda ise motorlar sayesinde konumlandırılma

açısı değiştirilen bir LDR’li (Light Dependent Resistance) fotometre ile ışık

şiddeti bilgisi alınarak analog sinyal olarak kontrolöre ileten bir devre

bulunmaktadır. Donanım yapısında bulunan bir diğer öğe olan çıkış katı ise

kontrolörden aldığı sinyaller doğrultusunda adım (step) motorların

çalışmasını sağlayan bir sürücü ve bu sürücüye ait çevre elemanlarından

oluşmaktadır.

4.2. Fotovoltaik Beslemeli Aydınlatma Düzeneği İçin Çözüm

Yaklaşımı

Uygulamada, fotovoltaik panel beslemeli birçok aydınlatma düzeneği

kullanılmıştır. Ancak mühendisler tasarım ve işletim esnasında birçok kısıt

ve problem ile karşılaşmışlardır. Proje mühendislerinin dikkate aldıkları

hususları aşağıda maddeler halinde sıralayabiliriz:

i.) Ekonomiklik

ii.) Uzun süre şebekeden bağımsız çalışabilirlik

iii.) Yeterli düzeyde aydınlık seviyesi

iv.) Çevreyle uyumlu şık ve makul bir tasarım

Ekonomiklik ile ilgili hususlar genelde başlangıç, bakım onarım ve

amortisman maliyetlerini içerir. Başlangıç maliyetlerini düşük tutmak için

panel boyutu, enerji depolama sistemi ve yük gücü küçük tutulmaya

çalışılır. Örneğin yük gücünü düşük tutmak amacı ile LED’li aydınlatma

armatürleri kullanılmaktadır. Ancak böyle bir durumda, karşımıza iki

problem çıkar. Birinci olarak panelin ve enerji depolama sisteminin küçük

boyutlu seçilmesi ile enerji sürekliliğinin sağlanması ile ilgili problemler

ortaya çıkar. İkinci olarak ise, yük gücünün küçültülmesi amacı için tercih

edilen LED’li armatürler ile yeterli seviyede aydınlık düzeyi elde

edilememektedir.

Sistemin kesintisiz bir şekilde şebekeden bağımsız olarak çalışabilmesi

için üretim-tüketim dengesi en kötü şartlar için dikkate alınmalıdır. Bu

amaçla yükün büyüklüğü ve güneş rejimi dikkate alınarak akü ve panelin

boyutlandırılması önemlidir.

Yeterli seviyede aydınlık seviyesi elde edebilmek için etkinlik faktörü

yüksek olan ve ışık dağılımı düzgün olan aydınlatma aygıtları

kullanılmalıdır. LED’lerin etkinlik faktörü yüksektir, ancak dış aydınlatmada

yaygın olarak kullanılan sodyum buharlı lambalardan yüksek değildir

ayrıca ışık dağılımları da düzgün değildir. LED yerine klasik dış aydınlatma

aygıtları kullanılmak istenirse, bu durumda doğru akımı alternatif akıma

dönüştüren inverterlere ihtiyaç duyulur. Eğer bu armatürlerde düşük güçlü

bir lamba kullanılmaz ise panel ve akü boyutunu oldukça büyük seçmek

gerekiyor. Bu durumda ise çevreyle uyumlu ve şık bir tasarım yapmak

oldukça zor olacağı gibi başlangıç maliyetleri de yükseltilmiş olur.

Yukarıda özetlenen problemlere karşı çözüm adımlarımız aşağıda

verilmiştir.

Işık kalitesi iki aşamalı olarak kontrol edilmiştir. Bu amaçla LED ve

alçak basınç sodyum buharlı lambalardan oluşan hibrit bir

aydınlatma düzeneği tasarlanmıştır. Tasarlanan düzeneğin konsept

çizimi Şekil 14.’te verilmiştir. Bu düzeneğin çalışması şu şekildedir.

Gün batımından itibaren gece saat 12.00’a kadar alçak basınçlı

SOX lamba çalışmaktadır. Gece 12.00’dan gün doğumuna kadar

geçen zaman diliminde ise LED’li aydınlatma devrededir. Böylece

insanların gece aydınlatmasına en çok ihtiyaç duyduğu “Gün batımı-

gece 12.00” arası klasik aydınlatma kullanılarak yüksek ve düzgün

dağılımlı aydınlık düzeyi elde edilmiş olmaktadır. “Gece 12.00- gün

doğumu” arasında ise daha düşük güç harcanarak ve aydınlatmanın

sürekliliği sağlanmaktadır.

35/55 W

SOX Işık

Kaynağı

SOX Lambanın Etrafında

Konumlandırılmış LED’li Kısım

Şekil 14. LED ve alçak basınç sodyum buharlı hibrit aydınlatma aygıtının konsept

çizimi (alttan görünüş)

Gün boyunca güneş enerjisinden elde edilecek elektrik enerjisinin

maksimum seviyede depolanmasını sağlayan MGİS sistemi

tasarlanan aydınlatma düzeneğine dâhil edilmiştir. Böylece hem

enerjinin sürekliliği sağlanmakta, hem de panel boyutu gereksiz

yere büyük tutulmamaktadır. Güneş takip sistemi başlangıç ve

işletim maliyetlerini çok artıracağından bu düzenekte

uygulanmamıştır.

5. PROJE KAPSAMINDA GERÇEKLEŞTİRİLEN

ÇALIŞMALAR

5.1. Simülasyon Çalışmaları

5.1.1. Süper Kondansatör-Akü Hibrit Enerji Depolama Sistemi

Simülasyonu

Şebekeden bağımsız çalışan tüm fotovoltaik sistemler üretim tüketim

dengesini sağlamak amacıyla bir enerji depolama sistemine ihtiyaç

duyarlar. Aküler enerji depolama sistemleri arasında en çok tercih edilen

elemanlar olup, kurşun asit aküler ise bunlar arasında başı çekmektedir.

Kurşun asit bataryalar ile süper kondansatör-akü hibrit yapısının davranışı

PV’den beslenme durumu için simule edilmiştir ve olası avantajları

tartışılmıştır. Bu amaçla oluşturulan simulasyon devreleri aşağıda

verilmiştir.

Şekil 15. Matlab ortamında modellenmiş olan PV bazlı Süper Kondansatör-Akü Hibrit Enerji Depolama Sistemi

Şekil 15. te maskelenmiş olarak verilen PV model detayı şekil 16. da

verilmiştir.

Şekil 16. Matlab simulink ortamında modellenmiş olan PV model

5.2. Prototip Bir Sistem Üzerinde MGİS ve GTS Uygulaması

ve Sonuçları

Projede belirtilen Güç takip sistemi ve Maksimum güç izleme sistemine ait,

model bir deney seti oluşturulmuştur. GTS için prototip uygulaması şekil

16. da, MGİS için blok şeması prototip uygulaması şekil 17. de

gösterilmiştir.

Şekil 17. GTS prototip uygulaması

Şekil 18. MGİS blok şeması prototip uygulaması

30 Watt gücünde bir fotovoltaik güneş paneline ait yer düzlemine ve

panele gelen ışınımları ve elektriksel çıkış gücünü farklı topolojiler için

gösteren grafikler aşağıda verilmiştir.

Not:

Üst taraftaki grafikler, panel yüzeyine ve yer düzlemine ulaşan ışınımları alt taraftaki

grafikler ise panelden alınan elektriksel gücü göstermektedir.

Sarı kısımlar : Panel yüzeyine gelen güneş ışınımı

Kırmızı çizginin altı: Yer düzlemine ulaşan güneş ışınımı

Güç

Kaynağı

Kontrolör

DC-DC Dönüştürücü

Geri

BeslemeGösterge

Akümülatör

Panel

Sabit Panel (GTS yok) ve MGİS yok

Sabit Panel (GTS yok) ve MGİS var

GTS var(Tek Eksen) MGİS yok

GTS var(Tek Eksen) MGİS var

GTS var(Çift Eksen) MGİS yok

GTS var(Çift Eksen) MGİS var

1.1.1.1.12 Farklı Topolojilerde Panel Çıkış Güçleri

5.3. Fotovoltaik Beslemeli Hibrit Aydınlatma Düzeneği

Uygulaması ve Değerlendirmesi

Bu projede uygulaması yapılan LED ve 35/55W güçlerindeki alçak basınç

sodyum buharlı hibrit aydınlatma sisteminin ışık kalitesi iki aşamalı olarak

kontrol edilmiştir. Bu amaçla oluşturulan röle kartının prensip şeması şekil

19 da verilmiştir.

Zaman

RölesiFotosel

Alçak basınç

sodyum buharlı

lamba 55 Watt

LED li

aydınlatma

İnverter

Şekil 19. Hibrit aydınlatma düzeneğini kontrol eden röle kartı prensip şeması

Bu düzeneğin çalışması şu şekildedir. Gün batımından itibaren gece saat

12.00’a kadar alçak basınçlı sodyum buharlı(SOx) lamba çalışmaktadır.

Gece 12.00’dan gün doğumuna kadar geçen zaman diliminde ise LED’li

aydınlatma devrededir. Böylece insanların gece aydınlatmasına en çok

ihtiyaç duyduğu “Gün batımı-gece 12.00” arası klasik aydınlatma

kullanılarak yüksek ve düzgün dağılımlı aydınlık düzeyi elde edilmiş

olmaktadır. “Gece 12.00- gün doğumu” arasında ise daha düşük güç

harcanarak ancak ışık kalitesinden biraz ödün verilerek aydınlatmanın

sürekliliği sağlanmaktadır.

Yaptığımız bu hibrit ışık kaynaklı armatür çalışmalarda hem LED’lerin hem

de sodyum buharlı lambaların kendilerine göre avantaj ve

dezavantajlarının olduğunu gördük. Bunları maddeler halinde sıralarsak,

LED’lerin etkinlikleri(verimleri) henüz sodyum buharlı lambalardan

fazla değildir. Bu yönüyle bütün fotovoltaik yapılarda “en verimli

aygıt” denilerek LED’lerin kullanılması doğru bir yaklaşım değildir.

(LED max. etkiliği 100 Lümen/Watt SOx max etkinliği 200

Lümen/Watt seviyesindedir.)

LED’lerle yukarıda da belirtildiği gibi düzgün dağılımlı aydınlık elde

edilmesi zordur dolayısıyla armatür tasarımı alçak basınçlı SOx

lambalarınkine nazaran önem arz etmektedir.

LED’lerin çalışma süresi 30000 saati aşkındır. Alçak basınçlı SOx

lerin ise 15000 saat civarındadır. Ancak LED’ler SOx lere göre çok

pahalıdır.

LED’ler doğru akımla çalıştığından akülere hiçbir ara ünite

olmaksızın bağlanabilirler. Alçak basınçlı SOx lamlalar ise alternatif

akımla çalıştıklarından akülere bağlanabilmesi için inverter, balast

gibi elemanlara ihtiyaç duyar. Tabi her bir ara elemanın elektriksel

kaybı vardır. Yaptığımız çalışmada kullandığımız balast ve inverterin

kaybı 55 Watt’lık alçak basınçlı SOx lamba için 7 Watt’tır. Ölçüm

devresine ait fotoğraf Şekil 20 de verilmiştir.

Şekil 20. Balast ve inverter kayıplarını ölçmek üzere oluşturulan deney

devresi

Bir önceki maddede belirtilen SOx lamlalar için kullanılması gereken

yardımcı elemanların(Balast+inverter)toplam fiyatı yaklaşık olarak

lamba fiyatı kadardır. Tabi bu SOx lambaların kurulum maliyetine

etkimektedir. LED’lerde böyle ek bir maliyet yoktur.

Yapılan ölçümler sonucunda 55 Watt’lık alçak basınçlı SOx

lambanın ışık akısının 8100 Lümen inverter ve balast kayıplarıyla

aküden çektiği güç 62 Watt’tır. Etkinlik faktörünü hesaplarsak

8100/62=130 Lümen/Watt’tır. Şu anda üretilen LED ler bu etkinlik

sevisine ulaşamamıştır.

20 Watt’lık alçak basınçlı sodyum buharlı lamba ve buna destek

olarak LED’lerin kullanıldığı konsept çiziminin önceki bölümlerde

verildiği armatür yapısının kullanılmasıyla sektörün ihtiyacı daha

etkin bir karşılanacaktır.

5.4. Ekonomik Analiz

Şebekeden bağımsız bir deniz fenerini besleyen 250 W’lık PV Sistem için

“Yıllık Enerji Maliyet Analizi” ve “Ömürsel Ekonomik Analizi” yapılmıştır.

Yapılan analiz ile ilgili sonuçlar aşağıda verilmiştir.

a. Yıllık Enerji Maliyet Analizi

Şebeke kWh Maliyeti: 0,17 TL

Yrdekleme/Şarş kWh Maliyeti 0,15 TL

kWh Kazancı: 372,30 TL

Yıllık Para Akışı: 372,30 TL

Yıllık Net Para Kazancı: 372,30 TL

AYLAR KWh kAZANCI kWh Yedeklenen Net Para Akışı

OCAK 31,62 TL 31,62 TL 31,62 TL

ŞUBAT 28,56 TL 28,56 TL 28,56 TL

MART 31,62 TL 31,62 TL 31,62 TL

NİSAN 30,60 TL 30,60 TL 30,60 TL

MAYIS 31,62 TL 31,62 TL 31,62 TL

HAZİRAN 30,60 TL 30,60 TL 30,60 TL

TEMMUZ 31,62 TL 31,62 TL 31,62 TL

AĞUSTOS 31,62 TL 31,62 TL 31,62 TL

ELÜL 30,60 TL 30,60 TL 30,60 TL

EKİM 31,62 TL 31,62 TL 31,62 TL

KASIM 30,60 TL 30,60 TL 30,60 TL

ARALIK 31,62 TL 31,62 TL 31,62 TL

TOPLAM 372,30 TL 372,30 TL 372,30 TL

b. Ömürsel Ekonomik Analiz

Modül Maliyeti: 1.500,00 TL

Akü Maliyeti: 1.900,00 TL

Diğer Maliyet: 1.000,00 TL

Toplam Sistem Maliyeti: 4.400,00 TL

Vergi Oranı (%18): 792,00 TL

Vergiden Sonraki Maliyet 5.192,00 TL

Kredi Oranı (0,15) 778,00 TL

Net Sistem Maliyeti: 5.970,00 TL

Sistem Örü 25 YIL

Geri Ödeme Süresi: 14 YIL

Yıl kWh Kazancı Para Akışı

0 0,00 TL

-5.970,00

TL

1 372,30 TL

-5.597,00

TL

2 380,12 TL

-5.217,58

TL

3 388,10 TL

-4.829,48

TL

4 396,25 TL

-4.433,23

TL

5 404,57 TL -4028,66 TL

6 413,07 TL -3615,59 TL

7 421,74 TL -3193,80 TL

8 430,60 TL -2763,20 TL

9 439,64 TL -2323,56 TL

10 448,87 TL -1772,43 TL

11 458,30 TL -1314,13 TL

12 467,92 TL -846,21 TL

13 477,75 TL -368,4 TL

14 (5980 TL) 487,78 TL 119,32 TL

Geri Ödeme

Süresi=14

YIL

15 498,03 TL 617,35 TL

16 508,49 TL 1125,84 TL

17 519,16 TL 1645,00 TL

18 530,07 TL 2175,07 TL

19 541,20 TL 2716,27 TL

20 552,56 TL 3268,83 TL

21 564,17 TL 3833,00 TL

22 576,01 TL 4409,01 TL

23 588,11 TL 4997,12 TL

24 600,46 TL 5597,58 TL

25 613,07 TL 6210,65 TL

25 Yıldaki Toplam kWh

Kazancı 12.078,36 TL 6210,00 TL

25 Yıl

Sonundaki

Toplam Kar

6. SONUÇLAR VE DEĞERLENDİRME

Yapılan bu proje çalışması ile aşağıdaki sonuçlar ortaya konulmuştur:

LDR’li bir fotometre tasarlanarak mikro denetleyicili bir güneş takip

sistemi gerçeklenmiştir.

Yükseltici anahtarlamalı dönüştürücü tasarlanarak ve mikro denetleyici

yazılımında bir “Tepeye tırmanma algoritması” kullanarak maksimum

güç takip sistemi gerçeklenmiştir.

Güç takip sistemi ile maksimum güç takip sistemini prototip bir sistem

üzerinde gerçeklenmiştir.

MGİS sisteminin hibrit bir park/bahçe aydınlatma düzeneği ile

entegrasyonu yapılarak 20 Watt’lık alçak basınçlı sodyum buharlı

lamba ve buna destek olarak LED’lerin kullanıldığı konsept çiziminin

önceki bölümlerde verildiği armatür yapısının kullanılmasıyla sektörün

ihtiyacını karşılayacak bir çözüm önerisi getirilmiştir.

Fotovoltaik sistemler için süper kondansatörlerin batarya ömrüne

olumlu etkisi ve sadece süper kondansatörler kullanılacak ise

depolama sisteminin ömrü üzerine ciddi katkıları gözlenmiştir. Bununla

birlikte kurulum üzerine getirdiği ek maliyetlerinin yüksekliği sistem

tasarımında göz önünde bulundurulmalıdır.

Fotovoltaik sistemlerin şebekeye bağlanabilmesine ait yönetmeliklerin

henüz hazırlanmamış olması nedeniyle şu an şebekeye paralel yapılar

oluşturulamamaktadır ancak, şebekeye bağlanabilen sistemlerde

depolama üniteleri kullanılmaması büyük bir avantajdır. Buna karşın

şebekeye entegre olabilen inverterler oldukça maliyetlidir.

Fotovoltaik sistemlerde verim artışı için yöntemler kullanılacak ise;

o MGİS birinci öncelikli olarak tercih edilmelidir. Çünkü,

% 10 verim artışı sağlanmaktadır.

Düşük maliyetlidir.

Hızlı geri ödeme süresine sahiptir.

o MGİS+Tek eksen takip ikinci öncelikli olarak tercih edilmelidir.

Çünkü,

% 30 verim artışı sağlanmaktadır.

Yüksek maliyetlidir

Bakım gerektirir / Arıza olasılığı vardır.

o MGİS+Çift eksen takip ikinci öncelikli olarak tercih edilmelidir.

Çünkü,

% 46 verim artışı sağlanmaktadır.

Çok yüksek maliyetlidir.

Bakım gerektirir / Arıza olasılığı tek eksenliye göre daha

fazladır.

KAYNAKLAR

1. Batchheller, P., (1993), “Microprocessor controlled maximum power point tracker for

photovoltaic system, Ms thesis” B.S., Devry institute of technology

2. Batman, M. A., (1991) Enerji Sistemlerinde Günes Pillerinin Kullanımı, Yüksek Lisans Tezi,

İ.T.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü. İstanbul

3. Batman, M. A., (2001) “Elektrik üretimi için güneş pillerinin kullanımında verimi arttırıcı

yeni bir yöntem, Doktora Tezi”, İ.T.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü. İstanbul

4. Fahrenbruch, A.L. ve Bube, R.T., (1983), “Fundamentals of Solar Cells”, Academic Press

5. Gilbert M. M., (2004), “Renewable and Efficient Electric Power Systems” John Wiley & Sons,

Inc.

6. He, W., Markwart, T. ve Arnold, R., (1998) “Islanding of grid-connected PV generators:

experimantal results”, Proc. of 2nd World Conference and Exhibition on PV Solar Energy

Conversion, pp. 2772-5, Vienna, Australia

7. Matsushima, T., Setaka, T. ve Muroyama S., (2003), “Concentrating solar module with

horizontal reflectors”, Solar Energy Materials& Solar Cells, Volume 75, Issues 3-4,

8. Salameh, Z.M., Mulpur A. ve Fouad D., (1988), "Two-Stage Electrical Array Reconfiguration

Controller for PV-Powered Water Pump", IEEE PV Specialists Conference, p. 399-404,19BS.

9. Salameh, Z.M., ve Taylor D., (1990), "Step-Up Maximum Power Point Tracker for

Photovoltaic Arrays", Solar Energy Vol. 44, No. 1, p. 57-61,

10. Salameh, Z.M., Dagher F. ve Lynch W.A., (1991), “Step-Down Maximum Power Point

Tracker for Photovoltaic Systems” Solar Energy Vol. 46, No. 5, p. 279-282.

11. Salas, V., Olias, E., Barrado, A., Lazzaro, A., (2005), “ Review of the maximum power point

tracker algorithms for stand-alone photovoltaic systems” Solar Energy Materials& Solar

Cells, Volume 90, Issue 11, Pages 1555-1578

12. Volker, Q. (2005), “Understanding Renewable Energy Systems”, Earthscan, Kanada.

Laboratuar Test Ortamına ait Fotoğraflar