yakit pilleri icin empedans kaynakli inverter tasarimve uygulamasi tez

7/29/2019 Yakit Pilleri Icin Empedans Kaynakli Inverter Tasarimve Uygulamasi Tez

1/96

YILDIZ TEKNK NVERSTESFEN BLMLER ENSTTS

YAKIT PLLERN EMPEDANS KAYNAKLINVERTER TASARIMI VE BR UYGULAMA

DEVRESNN GEREKLETRLMES

Elektrik Mhendisi Betl ERDR TRK

FBE Elektrik MhendisliiAnabilim DalndaElektrik Makineleri ve G ElektroniiProgramndaHazrlanan

YKSEK LSANS TEZ

Tez Danman: Do. Dr. M. Hadi SARUL

STANBUL, 2008


2/96

ii

NDEKLER

Sayfa

SMGE LSTES ....................................................................................................................... iv

KISALTMA LSTES ................................................................................................................v

EKL LSTES ........................................................................................................................vi

ZELGE LSTES .................................................................................................................viii

NSZ......................................................................................................................................ix

ZET..........................................................................................................................................x

ABSTRACT ..............................................................................................................................xi

1. GR....................................................................................................................... 1

2. YAKIT PLLER .....................................................................................................4

2.1 Yakt Pilinin Tanm ................................................................................................ 62.2 Yakt Pili Hcre Modl .........................................................................................82.3 Yakt Pili Sistemleri.................................................................................................82.4 Yakt Pilinin zellikleri...........................................................................................92.5 Yakt Pillerinin Trleri ..........................................................................................112.5.1 Tanabilir Uygulamalar ........................................................................................122.5.2 Yerleik Uygulamalar ............................................................................................ 142.5.3 Ara Uygulamalar................................................................................................. 16

3. YAKIT PLLE BESLENEN DNTRC DEVRELER ....................... 19

3.1 Dntrcler ...................................................................................................... 21

3.1.1 DC-DC Dntrc Topolojileri ......................................................................... 213.1.2 nverter Topolojileri............................................................................................... 243.1.2.1 Sert Anahtarlamal nverter ...................................................................................243.1.2.2 Rezonans Faz Kollu nverter .................................................................................243.1.2.3 Yardmc Rezonans Komtasyonlu Kutup nverter .............................................. 253.1.2.4 Aktif Hcreli Rezonansl DC Baral nverter ........................................................ 263.2 Evsel Ykleri Besleme Amal Geleneksel Bir G Koullandrma Sisteminin

ncelenmesi ............................................................................................................26

4. EMPEDANS KAYNAKLI NVERTER TOPOLOJ ANALZ ......................... 28

4.1 Empedans Kaynakl Dntrc Devre Yaps ................................................... 304.2 Edeer Devre, alma Prensibi ve Kontrol ........................................................ 334.3 Devrenin Analizi ve k Geriliminin Elde Edilmesi ..........................................35


3/96

iii

4.4 Empedans Andaki Endktans ve Kondansatrler .............................................. 394.5 Simlasyon, Prototip ve Deneysel Sonular.......................................................... 40

5. EMPEDANS KAYNAKLI NVERTER VE DER NVERTER

TOPOLOJLERNN KARILATIRILMASI.................................................... 44

5.1 Sistem Konfigrasyonu .........................................................................................455.2 Karlatralacak Birimler, Koullar, Eitlikler ve Sonular .................................455.2.1 Toplam Anahtarlama Eleman Gc Karlatrlmas..........................................455.2.1.1 Geleneksel PWM nverter .....................................................................................475.2.1.2 DC-DC Ykseltici Dntrcl PWM nverter ................................................ 485.2.1.3 Empedans Kaynakl nverter .................................................................................495.2.2 Pasif Komponent htiyac Bakmndan Karlatrma ...........................................525.2.2.1 Geleneksel PWM nverter .....................................................................................525.2.2.2 DC-DC Ykseltici Dntrcl PWM nverter ................................................ 535.2.2.3 Empedans Kaynakl nverter .................................................................................54

5.2.3 Elektriksel Verim Bakmndan Karlatrma........................................................556. EMPEDANS KAYNAKLI NVERTER UYGULAMASI...................................59

6.1 Simlasyon ............................................................................................................596.2 Uygulama Devresi ................................................................................................. 606.2.1 Kontrol Devresi ..................................................................................................... 606.2.2 Srme Devresi .......................................................................................................626.2.3 Empedans Kaynakl nverter Devresi.................................................................... 646.2.4 Prototip Sistem ve Uygulama Sonular................................................................ 65

7. SONULAR VE NERLER............................................................................... 69

KAYNAKLAR.........................................................................................................................71

EKLER .....................................................................................................................................73

Ek 1 Fuji 2MBI150U4A-120 IGBT Modl.............................................................................. 74Ek 2 Semikron Skyper32Pro Src Kart............................................................................... 83

ZGEM..............................................................................................................................85


4/96

iv

SMGE LSTES

B Ykseltme faktr (Boost factor)

BB Drme ve ykseltme faktr (Buck Boost factor)

I, ii ,iav Akmi Ani akm

Ii Giri akm

Io k akm

i , Ipk Akm tepe deeri

LL Kaak endktans

M Modlasyon indeksi

N Anahtarlama eleman says

Elektriksel verim

P G

Pi Giri gc

Po k gc

Rc Nve edeer direnci

Rr Rotor direnci

Rs Stator direnci

T, Ts Anahtarlama periyodu

T0 Anahtarlama elemanlarnn ksa devre alma sresi

T0/T Ksa devre konumu bal iletim sresi

V, iv ,vav Gerilim

v Ani gerilim

Vi Giri gerilimi

Vo k gerilimi

V0 Yakt pili modl k gerilimi

v , Vpk Gerilim tepe deeri

V Gerilimdeki dalgallk


5/96

v

KISALTMA LSTES

AC Alternatif Akm (Alternative Current)

AYP Alkali Yakt Pili

DC Doru Akm (Direct Current)DMYP Dorudan Metanol Yakt Pili

DSBHYP Dorudan Sodyum Bor Hidrrl Yakt Pili

EKYP Ergimi Karbonat Yakt Pili

EMI Elektromanyetik Giriim (Electromagnetic Interference)

FAYP Fosforik Asit Yakt Pili

GTO Kapdan Sndrmeli Tristr (Gate Turn Off Thyristor)

IGBT zole Kapl Bipolar Transistr (Insulated Gate Bipolar Transistor)

IIASA Uluslararas Uygulamal Sistem Analizleri Enstits (International Institute for

Applied System Analysis)

IPM Akll G Modl (Intelligent Power Module)

KOYP Kat Oksit Yakt Pili

Li-Po Lityum Polimer

NASA Ulusal Havaclk ve Uzay Dairesi (National Aeronautics and Space

Administration)

NiMH Nikel Metal Hidrr

PEMYP Polimer Elektrolit Membranl Yakt Pili

PWM Darbe Genilik Modlasyonu (Pulse Width Modulation)

SCR Silikon Kontroll Dorultucu (Silicon Controlled Rectifier)

SDP Anahtarlama Eleman Gc (Switching Device Power)

TARGET Gaz Enerji Dnm leri Aratrma Grubu (Team to Advance Research on Gas

Energy Transformation)


6/96

vi

EKL LSTES

ekil 2.1 Hidrokarbonlarn enerji ve kimyasallarn retimindeki kullanm eilimi..............4

ekil 2.2 Yllara gre dnyadaki enerji kaynaklarnn deiimi ..........................................5

ekil 2.3 Tek bir yakt pili hcresinin ematik gsterimi........................................................... 7ekil 2.4 Yakt pili modl ematik gsterimi........................................................................... 8

ekil 2.5 Yakt pili sistemine ait blmlerin basit ematik gsterimi........................................9

ekil 2.6 Kimyasal enerjinin elektrik enerjisine dnm evrimi.......................................... 10

ekil 2.7 Dizst bilgisayar iin kullanlan DMYP uygulamas.............................................. 13

ekil 2.8 DMYP beslemeli cep telefonu prototip uygulamas ................................................. 14

ekil 2.9 DMYP tabanl 100 Watt gcnde tanabilir g kayna........................................14

ekil 2.10 PEMYP tabanl mikrokojenerasyon nitesi ............................................................16

ekil 2.11 NECAR yakt pilli binek otomobil.......................................................................... 17

ekil 2.12 A212 snf yakt pilli denizalt................................................................................18

ekil 3.1 Yakt pillerine ait akm-gerilim karakteristii...........................................................19

ekil 3.2 Yakt pili tabanl g retim sistemi blok diyagram................................................ 20

ekil 3.3 AC yk beslemeli yakt pilli hibrid g koullandrma sistemi blok diyagram....... 21

ekil 3.4 Dk glerde kullanlabilecek evirici topolojileri a) Drc dntrc

b) Ykseltici dntrc c) Drc-ykseltici dntrc.......................22

ekil 3.5 H kpr g kayna ................................................................................................ 23

ekil 3.6 Seri rezonans dntrc......................................................................................... 23

ekil 3.7 Sert anahtarlamal inverter ........................................................................................24

ekil 3.8 Rezonans faz kollu inverter .......................................................................................25

ekil 3.9 Yardmc rezonans komtasyonlu kutup inverter ..................................................... 25

ekil 3.10 Aktif hcreli rezonansl DC baral inverter.............................................................26

ekil 3.11 Yakt pili g koullandrma sistemine ait g devresi........................................... 27

ekil 4.1 Geleneksel gerilim kontroll inverter........................................................................28

ekil 4.2 Geleneksel akm kontroll dntrc.................................................................... 29

ekil 4.3 Empedans kaynakl dntrcnn genel devre yaps........................................... 31

ekil 4.4 Anahtarlama elemanlarnda ters paralel bal diyot bulunduran empedans kaynakl

dntrc yaps ............................................................................................ 31

ekil 4.5 Anahtarlama elemanlarna seri bal diyot bulunduran empedans kaynakl

dntrc yaps ............................................................................................ 32

ekil 4.6 Geleneksel iki basamakl yakt pili beslemeli dntrc ......................................32ekil 4.7 Yakt pilli uygulamalar iin empedans kaynakl dntrc sistemi...................... 33


7/96

vii

ekil 4.8 DC baradan bakldnda empedans kaynakl invertere ait edeer devre................33

ekil 4.9 DC baradan ksa devre sfr konumunda bakldnda empedans kaynakl invertere

ait edeer devre ............................................................................................... 34

ekil 4.10 DC baradan ksa devre sfr olmayan konumlarda bakldnda empedans kaynakl

invertere ait edeer devre ................................................................................35

ekil 4.11 Geleneksel PWM kontrol ......................................................................................38

ekil 4.12 Aktif vektrler deitirilmeksizin ksa devre sfr konumlarn ieren PWM

kontrol.............................................................................................................39

ekil 4.13 Simlasyon ve prototip sisteme ait devre konfigrasyonu...................................... 40

ekil 4.14 Simlasyon sonular (DC bara gerilimi=150 V ve M=0.642)............................... 41

ekil 4.15 Yakt pili geriliminin dk olmas durumunda (M=0.642) elde edilen deneysel

sonular .............................................................................................................42

ekil 4.16 Yakt pili geriliminin yksek olmas durumunda (M=1) elde edilen deneysel

sonular .............................................................................................................43

ekil 5.1 Yakt pili polarizasyon erisi ....................................................................................44

ekil 5.2 Yakt pili beslemeli evsel uygulamalar iin kullanlan inverter topolojileri.............46

ekil 5.3 Ksa devre zaman aralnda inverter modeli............................................................ 51

ekil 5.4 Yk olarak balanan motora ait tek faz motor modeli.............................................. 56

ekil 5.5 nverterlere ait hesaplanm elektriksel verim deerleri ...........................................58

ekil 5.6 D1 giri diyotlu sisteme motor yknn dahil edilmesi ile hesaplanan verim

deerleri ............................................................................................................58

ekil 6.1 Simlasyon devresine ait ak devre emas .............................................................59

ekil 6.2 Empedans kaynakl invertere ait simlasyon sonucu................................................ 60

ekil 6.3 PIC18F4331 kontrolrne ait pin konfigrasyonu...................................................61

ekil 6.4 nverter kontrol kart detay tasarm izimi................................................................62

ekil 6.5 Skyper32 Pro IGBT src kart ............................................................................... 62ekil 6.6 Empedans kaynakl inverter devresi blok diyagram ............................................... 64

ekil 6.7 Empedans kaynakl inverter uygulama devresi.........................................................65

ekil 6.8 Uygulama devresi performans test sonular (M=0)................................................. 66

ekil 6.9 Uygulama devresi performans test sonular (M=0.8).............................................. 67


8/96

viii

ZELGE LSTES

izelge 2.1 Yakt pili trleri ve kullanm alanlar .................................................................... 12

izelge 5.1 Anahtarlama eleman glerinin karlatrlmas ................................................. 52

izelge 5.2 Kullanlan pasif komponentler .............................................................................. 56izelge 5.3 Deiik g deerlerinde oluan alma artlar .................................................. 57


9/96

ix

NSZ

Tez almam srasnda, tezimi yneten, fikir ve eletirileri ile bana yol gsteren deerlihocam Do. Dr. M. Hadi SARULa, iki sene boyunca tez danmanlm yrtm olan, tezalmam balatmam ve ekillendirmemde ok byk emekleri olan hocam Do. Dr. Haluk

GRGNe, bana tm eitim hayatm boyunca huzurlu bir alma ortam salam olanbiricik aileme, gsterdii sabr, anlay ve ilgisi dolays ile eim Ahmet Serdar TRKe,laboratuvar almalarm esnasnda beni yalnz brakmayan meslektam ve almaarkadam Fatih GENe ve verdikleri tm manevi destek iin ok sevgili arkadalarmateekkr ederim.


10/96

x

ZET

Yakt pilleri (yakt hcreleri), kimyasal enerjiyi herhangi bir dnm prosesi olmakszndorudan elektriksel ve sl enerjiye dntren elektrokimyasal g kaynaklardr. Yakt pilisistemleri, tanabilir elektronik sistemlerden, elektrik santralleri uygulamalarna kadar ihtiyaduyulan gereksinimleri karlayabilecek niteliktedirler.

Yakt pili tabanl bir g sistemi, yakt pilinin retmi olduu DC elektriksel gc, yerleikveya tanabilir yklerde, otomotiv uygulamalarnda ve elektrik ebekelerinde kullanmauygun AC veya DC gce eviren g koullandrma nitelerine ihtiya duymaktadr.

Bu tez, yakt pili uygulamalarnda kullanlan ve empedans kaynakl inverter olarakadlandrlan bir inverter yaps zerine odaklanmaktadr. Empedans kaynakl inverter,geleneksel gerilim ve akm kontroll inverterlerin yapsal snrlamalarn ortadan kaldrarakyeni bir g evrim konsepti salamaktadr. Tez almasnda srasyla, bu topolojiye ait olan

alma prensibi, simlasyon ve uygulama devresine ait deneysel sonular verilmektedir.

Anahtar kelimeler; Yakt pili, G elektronii, G koullandrma, Empedans kaynaklinverter, Dntrc


11/96

xi

ABSTRACT

Fuel cells are electrochemical power sources that convert chemical energy to electricity andthermal energy directly without any conversion process. Fuel cell systems are available tomeet the needs of applications ranging from portable electronics to power plants.

A fuel cell based power system needs a power conditioning unit, which is a necessary systemfor converting the DC electrical power generated by a fuel cell into usable AC or DC powerfor stationary or portable loads, automotive applications and interfaces with electric utilities.

This thesis focused on an impedance source power inverter for fuel cell applications. Theimpedance source inverter overcomes the structural limitations of the traditional voltage andcurrent source inverters and provides a novel power conversion concept. In the thesis,operating principle, simulation of this topology and the experimental results of the applicationcircuit are presented respectively.

Keywords; Fuel cell, Power electronics, Power conditioning, Impedance source inverter,Converter


12/96

1

1. GR

Yakt pilleri, kmr, petrol ve doal gaz gibi fosil yaktlar, rafineri rnleri, amonyak,

metanol gibi kimyasal rnler, biyogaz ve atk materyaller gibi alternatif kaynaklardan,

bir dntrc yardmyla elde edilen hidrojenin veya dorudan hidrojenin oksijen ilekimyasal reaksiyona girmesi sonucunda elektrik retilen sistemlerdir ve gelecein enerji

retim kayna olarak grlmektedir.

Yakt pilleri, emisyonlarnn dk olmas ve grlt kirliliine neden olmamalar, hareketli

para iermemeleri ve fosil yaktlardan daha yksek dnm oran elde edebilmeleri

gibi avantajlara sahiptir.

Yakt pilleri, uzay aralar, tatlar, deniz aralar, tanabilir aralar, elektrik ve s retimtesisleri olmak zere askeri ve sivil kurumlarda geni bir kullanm alan bulmaktadr.

Elektrik mhendislii gz ile bakldnda ise; yakt pili, dk gerilimli ve yksek akml

bir DC g kayna olup, son kullancya ait rnlere adapte edilmesi iin zel tasarlanm

g evrim katmanlarna ihtiya duymaktadr. Bu yn ile yakt pili sistemleri, g

elektroniinin anahtarlamal g kaynaklar devre yaplar ile yakndan ilgilidir.

Yakt pili modllerine ait k gerilimlerinin ayn gteki dier g kaynaklarna nazaran

daha dk deerlerde olmas, tek bir g evrim kat ile son kullanc adaptasyonunun

salanmasnda byk zorluklar yaratmaktadr. zellikle orta g lekli (3-10 kW) evsel

uygulamalarda, geleneksel dntrc yaplar kullanlarak gerekletirilen yakt pili tabanl

g koullandrma sistemlerinde, yakt pili modlne ait k gerilim seviyesi ile, inverterin

ihtiyac olan giri gerilim deeri arasnda byk bir fark mevcuttur. rnek olarak, 3 kW

deerinde k gcne sahip yakt pili modl, nominal yklenmede yaklak 25 Volt

deerinde bir k gerilimine sahiptir. Sz konusu yakt pilinin herhangi bir evsel

uygulamada kullanm iin, k gerilim deeri 220 Volt 50 Hz olan bir g koullandrma

sistemine ihtiya bulunmaktadr. G koullandrma sisteminde geleneksel bir tek katl DC-

AC dntrc (inverter) kullanldnda, inverterin ihtiyac olan giri gerilimi 400 V

deerinde olup, yakt pili k gerilimi bu deeri karlayamamaktadr. Yakt pili modl k

geriliminin, inverterin giriine uygulamadan nce bir DC-DC ykseltici dntrcye

uygulanmas bu tr sistemler iin kullanlan en yaygn zm olmakla birlikte, bu devre

yaps da hem maliyeti ve boyutu arttrmakta hem de elektriksel verimi drmektedir.

Yakt pili beslemeli g koullandrma sistemlerinde, geleneksel dntrclerin


13/96

2

kullanmnda aada belirtilen birtakm sorunlar mevcuttur:

Ya ykseltici ya da drc olarak grev yapan geleneksel dntrcler, hem ykselticihem drc dntrc olarak grev yapamazlar nk elde edilen k g aral,giri geriliminden ya daha dk ya da daha yksek olmak durumundadr.

Ana devre katmanlar kendi aralarnda yer deitirmez, yani ne bir gerilim kontrolldntrc, akm kontroll dntrc olarak kullanlabilir, ne de bunun tersi birdurum sz konusudur.

EMI grltsnn neden olabilecei kt etkilere (yanl kap sinyalleri vb.) aktrlar.

Yakt pillerine zg g koullandrma sistemlerinin tasarlanabilmesi iin, yakt pilinin

elektriksel karakteristii, eitli yk koullarnda elde edilen elektriksel performans deerleri

gibi bilgilerin analiz edilmesi ve yaplacak uygulamann elektriksel ihtiyalarn karlayacak

nitelikte uygun dntrc topolojisinin seilmesi gerekmektedir. Hem yukarda belirtilensorunlarn stesinden gelmek, hem de yakt pillerinin dk gerilim ve yksek akm

elektriksel k karakteristiine uygun dntrc ihtiyacn karlamak amac ile, 2002

ylnda Michigan State niversitesinden Fang Z. Peng, yakt pili uygulamalar iin

gelitirdii empedans kaynakl inverter almasn sunmutur.

Empedans kaynakl inverter, yakt pili ile inverter kprs arasna yerletirilen bir empedans

a sayesinde, empedanstaki pasif komponentlerin enerji depolama zelliinden faydalanarak,

giri geriliminden bamsz olarak, inverter faz kollarnn ksa devre edilerek altrlmas

prensibi ile, kta istenilen gerilime ulalmasn salayan bir dntrc sistemidir (Peng,

2002).

Ortaya konulan bu yeni g evrim yapsn ve yakt pili uygulamalar iin uygunluunu daha

iyi analiz edebilmek iin tez almasnda ncelikli olarak yakt pillerinin zellikleri, alma

prensibi ve uygulama alanlar detayl olarak verilerek, yakt pillerinin neden yeni bir g

dntrc yapsna ihtiya duyduu aklanmtr.

Peng tarafndan alma dorultusunda, empedans kaynakl invertere ait alma prensibi ve

deneysel sonular verilerek, bu yapya ilikin tm elektriksel devre analizleri yaplmtr

(Peng, 2002).

Tez almasnn ilerleyen blmlerinde ise, empedans kaynakl inverter ile geleneksel

dntrc yaplar olan PWM inverter ve DC-DC ykselticili PWM inverter devrelerine

deinilerek, bu inverter eidi; anahtarlama eleman gleri, pasif komponent ihtiyac,

elektriksel verim ve sabit g-hz oranlar gz nne alnarak karlatrlmaktadr (Adams vd,

2005).


14/96

3

Salad avantajlarn bilgisayarl benzetim teknikleri kullanlarak gzlemlenebilmesi ve

devre yapsnn dk giri gerilimleri ile istenilen k gerilimini salayp

salayamayacann n izlemesinin yaplabilmesi iin Proteus devre simlasyon program

kullanlarak, uygulamas gerekletirilecek olan devreye ait simlasyon devresi oluturulmu

ilgili elektriksel dalga ekilleri verilmitir. lgili devreye, giri gerilimi dier bir deyile yakt

pilinin k gerilimi olarak 285 V seviyesinde DC gerilim uygulanm ve 5 kWlk yk

altnda, inverter knda 220 V, 50 Hz deerinde AC gerilim elde edilmitir.

Simlasyon aamasndan bir sonraki adm, devrenin gereklenebilirliini kantlamak amac

ile empedans kaynakl inverter prototip devresinin oluturulmasdr. Uygulama devresi;

Kontrol Devresi

Srme Devresi Empedans Kaynakl nverter

alt blmlerinden olumaktadr. Laboratuvar ortamnda gereklenen prototip devre,

simlasyon ortamnda olduu gibi girite 285 V DC gerilim uygulanarak altrlm ve

kta da evsel uygulamalarda kullanma uygun olan 220 V rms deerinde AC gerilim elde

edilmitir.

Uygulama devresine ilikin elde edilen dalga ekilleri ile simlasyon sonular uyumlu olup,

empedans kaynakl inverter devre yapsnn uygulanabilirlik yn kantlanmtr. Klasik

inverter yaplarnda, 220 Vrms deerinde AC k gerilimi elde etmek iin devre giriine

yaklak olarak 400 V DC gerilim uygulanmas gerekirken, bu devre yaps ile girite

uygulanmas gereken gerilim seviyesi %30 orannda aaya ekilmitir. Bylelikle empedans

kaynakl inverter yapsnn uygulanabilirlik yn kantlanarak, zellikle yakt pili beslemeli

g koullandrma sistemleri iin uygun zellikler tad sonucuna varlmtr.


15/96

4

2. YAKIT PLLER

Gerek sanayileme, gerekse bireylerin daha iyi yaam istekleri, gnmzde enerji

kullanmn nemli lde artrmaktadr. Enerji ihtiyacnn karlanmasnda kmr, petrol,

doal gaz gibi yaktlar ncelikli olarak kullanlmaktadr. Ancak bu yaktlarn kullanmndabalca iki sorunla karlalmaktadr. Birinci sorun, bu yaktlarn yakn bir gelecekte

nemli byklkte azalma olasl, dieri ise sanayilemenin belli yrelerde younlamas

sonucu byk oranda fosil yaktlarn kullanmndan kaynaklanan evre kirliliinin

artmasdr. Fosil yaktlarn yanmas sonucu karbondioksit, azot ve kkrt emisyonlar nemli

deerlere ulamtr. 1973 ylnda yaanan ilk petrol krizinden beri, dnyada enerji perspektifi

deimi ve birincil enerji kaynaklarnn eitlendirilmesi ile petrole bamlln

azaltlmas hedeflenmitir. Dnya genelindeki bu iki soruna ek olarak lkemiz iin bir diersorun da, enerji tketiminin yaklak %60nn yurtdndan karlanmasdr.

Enerji tasarrufu konusunda ciddi nlemler alnmas halinde bile ancak genel enerji

talebinin %20-30 orannda drlmesi ngrlmektedir.

Enerji retimi iin daha hafif hidrokarbonlarn kullanlmas eilimi, 20. yzylda ortaya

km ve yaktlarn C/H oran azalmtr. Dier taraftan polimer ve dier petrokimyasallarn

retimi iin hidrokarbon kaynaklarna ihtiya duyulmutur. ekil 2.1de, hidrokarbonlarn,

enerji ve kimyasal retimi iin kullanmndaki eilim grlmektedir.

ekil 2.1 Hidrokarbonlarn enerji ve kimyasallarn retimindeki kullanm eilimi

Doal gaz, biyogaz ve hidrojen gibi kaynaklarn enerji retiminde kullanlmas da


16/96

5

hedeflenmektedir. Bununla birlikte hidrojen, fosil yakt deildir; hafif hidrokarbonlardan ve

suyun elektrolizi ile retimi mmkndr. IIASA (Uluslararas Uygulamal Sistem

Analizleri Enstits) tarafndan gelitirilen modele gre, enerji sistemlerinin yllara gre

deiimi, ekil 2.2de verilmitir. Buna gre odun, kmr, petrol, doal gaz ve biyoktle

gibi geleneksel enerji kaynaklarnn tkenecei, buna karn hidrojenin gelecein enerji

kayna olaca aka grlmektedir. Bu sonu, evreye zararsz yeni enerji

kaynaklarn gndeme getirmektedir. Bu amala yakt pili, gne, rzgar ve jeotermal

gibi yenilenebilir enerji kaynaklarnn deiik sektrlerde uygulanabilmesi iin

kaynaklarn aratrlmas ve mmkn olan sektrde kullanm aratrmalar

srdrlmektedir.

ekil 2.2 Yllara gre dnyadaki enerji kaynaklarnn deiimi

Yakt pilleri, alternatif kaynaklardan, yakt dntrc yardmyla elde edilen hidrojenin

veya dorudan hidrojenin oksijen ile kimyasal reaksiyona girmesi sonucunda elektrik

retilen cihazlardr ve gelecein enerji retim kayna olarak grlmektedir. Pillerin aksine

yakt pili teorik olarak yakt ve oksitleyici saland srece elektrik enerjisi retme

yeteneine sahiptir.

Yakt pilleri, tasarmnda deiiklik yaplmakszn cep telefonlarnda kullanlabilecek


17/96

6

kadar az ve bir kente yetebilecek kadar fazla g retebilir. Bu nedenle yakt pili iin pazar

snrszdr. Yakt pilleri, otomobil, otobs, uzay arac, lokomotif, denizalt gibi ulam

aralarnda, cep telefonu, diz st bilgisayar gibi tanabilir cihazlar, ev, ofis, hastane, otel,

endstri ve g retim tesisleri gibi sabit uygulamalarda olmak zere geni bir kullanm

potansiyeline sahiptir.

Yakt pilleri, evre ve grlt kirliliine neden olmamalar, hareketli para iermemeleri ve

fosil yaktlara gre daha yksek dnmle enerji retmeleri gibi avantajlara sahiptirler. Bu

nedenle son yllarda ticari retimi iin almalar younlamtr.

Yakt pili ile ilgili ilk alma 1839 ylnda William Grove tarafndan seyreltik slfrik asit

ve iki platin levha kullanlarak yaplmtr. Sonraki yllarda elektrik retiminde

kullanlamayaca dnlen yakt pilleri, 1950li yllardan sonra NASA tarafndan uzay

uygulamalarnda kullanlmak zere allmaya balanmtr. Yakt pili sisteminin gelimesi

ve dier ekipmanlarla entegrasyonu, uzay uygulamalarnn ortaya kmas ile artmtr.

1950lerin ortasnda Union Carbide Corporation, uzay uygulamalar dnda ilk sistemleri

oluturmutur. 1960l yllarda General Electric, Gemini ve Apollo, uzay aralar iin ilk

yakt pilini retmitir. Yine 1960l yllarda TARGET ile yakt pili teknolojisinde ciddi

almalar balatlmtr. Bu alma program, ABD, Japonya ve Kanadada 12.5 kWlk

fosforik asit yakt pilinin testi ile sonulanmtr. Buna karn fosforik asit yakt pilinin

ticarilemesindeki gelimeler yava gereklemitir. 1970li yllardaki petrol krizi, dnyann

ham petrole olan bamlln azaltmak iin aratrmaclar daha verimli sistemleri ve

farkl g kaynaklarn aratrmaya yneltmitir. Bu nedenle yakt pilleri konusundaki

almalar younlamtr. 1970li yllarda DuPont, proton deiim membran yakt pili iin

yksek verimli nafyon membran retmi ve proton deiim membranl yakt pilinde

nemli gelimeler kaydedilmitir. Gnmzde uzay mekiinin elektriksel ihtiyac, yakt

pilleri ile retilmektedir. Gelecein teknolojisi olarak grlen yakt pillerinin farklalanlardaki uygulamas iin aratrmalar, tm yakt pil trleri zerinde ok sayda ticari

firma ve kurum tarafndan artarak srdrlmektedir (Bahar vd, 2001).

2.1 Yakt Pilinin Tanm

Yakt pilleri, reaksiyonun kimyasal enerjisini, dorudan elektrik enerjisine eviren

elektrokimyasal cihazlardr. Bir yakt pilinin temel fiziksel yaps, iki yznde gzenekli

anot ve katotla temas halindeki elektrolit tabakasn iermektedir. Yakt pilinde

reaksiyona giren ve reaksiyon sonucu oluan gazlarn birlikte grld bir ematik


18/96

7

gsterim, ekil 2.3te grlmektedir. Ayn ekilde, iyonlarn yakt pili hcresi zerinden

ak ynleri de gsterilmektedir.

Tipik bir yakt pilinde, gaz yakt anoda (negatif elektrot), oksitleyici (yani oksijen/hava)

katoda (pozitif elektrot) srekli olarak beslenmektedir. Yakt pilinde yakt ile oksijenarasnda indirgenme/ykseltgenme reaksiyonu olurken elektrik akm (doru akm) ve s

olumaktadr. Katotta protonlar oksijenle birleip, kullanlan yaktn cinsine gre yalnzca

su buhar veya su buhar ve CO2 retir.

ekil 2.3 Tek bir yakt pili hcresinin ematik gsterimi

Bir yakt pili, tipik bir pildekine benzer bileenlere ve karakteristie sahip olduu halde, bir

ok bakmdan ayr zellikleri bulunmaktadr. Bilinen piller, enerji depolama zelliine

sahip olup, verebilecekleri maksimum enerji ise pilin iine depolanm kimyasal maddelerinmiktar ile belirlenmektedir. Pilin iindeki kimyasal maddelerin dnm (reaksiyonu)

bittiinde pilin mr bitmekte, yani atlmaktadr. kincil pillerde ise kimyasallar tekrar

ykleme yaplmak suretiyle rejenere edilmektedir (reaksiyon geri evrilmektedir) ki bu da

pilin iine d bir kaynaktan enerji yklemek anlamna gelmektedir. te yandan, yakt

pili teorik olarak elektrotlara yakt ve oksitleyici beslendii srece elektrik retme

kapasitesine sahip enerji dnm sistemleridir. Gerekte, performansta zamanla azalma,

korozyon, bileenlerin mr gibi nedenlerle yakt pillerinin de iletim mrleri snrl olsada uzundur.


19/96

8

2.2 Yakt Pili Hcre Modl

Pillerde olduu gibi tek tek yakt pili hcreleri arzu edilen gerilim seviyelerine ulalacak

sayda seri balanabilirler ve daha sonra ara balantlar yardmyla birletirilirler. Hcre

bileenleri, ekil 2.4te verilen tipik bir hcrenin ematik gsterimindetanmlanmaktadr. Bipolar plaka, hcrelerin konfigrasyonunda, ara balant ayrc tabaka

olmakta ve iki grevi bulunmaktadr. Bunlar;

Yan yana duran iki hcre arasndaki seri elektrik balantsn salamak Hcrenin mekanik dayanmn salamak Ardk iki hcrenin yakt ve oksitleyicilerini ayrmaktr. Ak kanallar sayesinde, reaksiyon gazlarn elektrot yzeyine datmak

Hcrenin dier nemli paralar ise yle sralanabilir;

Gazlarnn reaksiyona girdii ve reaksiyon sonucunda proton geiinin salandmembran elektrot nitesi

Gazlarn membran elektrot nitesine geiini salayan gaz difzyon tabakas Plakalar arasnda ksa devre olmamas amac ile yaltm amal yerletirilen conta tabakas

ekil 2.4 Yakt pili modl ematik gsterimi

2.3 Yakt Pili Sistemleri

Yakt pillerinde yakttan retilen hidrojen ve havadaki oksijen kullanlarak, doru akm, su ve

s retilmektedir. Karbonmonoksit ve metann hcre iinde reaksiyona sokulduu

durumlarda dier bir rn de CO2 gaz olmaktadr. Bu reaksiyonlar yakt pilinin iletimi iinuygun scaklk ve basnta gerekletirilmelidir. Yakt pili hcresinin evresinde hava ve


20/96

9

temiz yakt salayacak, retilen gc daha kullanlabilir hale (alternatif akm gc)

dntrecek ve hcre ii reaksiyonlar sonucu retilen rnler ile sy uzaklatracak bir

sistem kurulmaldr. ekil 2.5te byle bir sistem ematik olarak gsterilmitir. Yakt ilemci

biriminden balayarak, geleneksel yakt (doal gaz, metanol, etanol veya kmr vb.)

temizlenmekte, hidrojen ieren gaza dntrlmektedir. Enerji, yakt pili modl blmnde

birbirlerine modl veya demet eklinde balanm tek tek yakt hcreleri tarafndan

retilmektedir. Bir g uygulamas iin ok deiik sayda hcreler, modller uygun

olabilmektedir. Son aamada, g koullandrma nitesinde elektrik enerjisi doru akmdan

regle edilmi doru akma veya son kullanc iin alternatif akma dntrlmektedir.

Yakt ilemci birimi, hem kullanlan yakta hem de yakt pili teknolojisine bal olarak

farkllklar gstermektedir. Dntrlm yaktn, pil modlnde kullanlabilecek kadartemizlenmesi de bu birimde yer almaktadr.

ekil 2.5 Yakt pili sistemine ait blmlerin basit ematik gsterimi

Yakt pili modlnde gerekleen reaksiyon srasnda aa kan snn, yakt ilemede

ve yakt pili sisteminin alt birimlerinde kullanlmayan ksm, scak su, buhar veya ilave

elektrik retmek iin kullanlabilir.

2.4 Yakt Pilinin zellikleri

Yakt pillerinin, enerji dnm sistemleri olarak kullanlmalarn avantajl klan bir ok

zellik mevcuttur. Bu zelliklerin balcalar, yksek verime sahip olmalar ve evreye olan

olumlu etkileridir.

Yakt pilleri, Carnot evriminin snrlamasna bal olmakszn, yaktlardan dorudan


21/96

10

elektrik elde etmeye yarar. Klasik evrim teknolojisinde, yaktta kimyasal biimde

depolanan enerji yanma reaksiyonu ile sya ve s, Rankin evrimi ile mekanik enerjiye

dntrlr. Bu dnm srasnda hem Carnot evrimi snr alamamakta, hem de

mekanik enerji jeneratrle elektrie dntrlrken yeni kayplar olumaktadr. Bylece,

verim dmekte, kalabalk bir makine topluluu gerekmekte ve evre kirletilmektedir.

Yakt pillerinde ise ekil 2.6da grld gibi kimyasal enerji dorudan elektrik

enerjisine dntrlmektedir.

ekil 2.6 Kimyasal enerjinin elektrik enerjisine dnm evrimi

Hareketli paras olmamas nedeniyle geleneksel g kaynaklarndan daha gvenilir olan

yakt pili, grlt ve evre kirliliine neden olmayan, kompakt yapl ideal bir enerji

evrim sistemidir. Yakt pili, kentsel alanlarda sal tehdit eden fotokimyasal duman/sis

oluumunu da azaltmaktadr. SO2 ve NOx emisyonlar srasyla 1.362 g/MWh ve 1.816

g/MWhtir. CO2 emisyonu 318.182 kg/MWh dzeyinde geleneksel fosil yakt g

kaynaklarna benzerdir. H2in elektrolizle ve gerekli elektrik enerjisinin yenilenebilir

kaynaklardan retildii durumda ise sfr emisyon deerine ulalmaktadr. Yakt pili

sisteminde daha dk emisyonla daha yksek verim elde edilebilir.

Yakt pilleri, byklne bal olmakszn sabit verimle altklarndan dolay, kk

yakt pili birimlerinde de byk sistemlere oranla neredeyse ayn verime ulalabilmektedir.

Bylece yakt pili g retim birimleri birka Watttan, Megawattlara kadar ok geni

elektrik gc aralnda tasarlanabilmektedir.

Yakt pilleri ve yakt pili sistemlerinin zellikleri yle sralanabilmektedir:

Yaktn kimyasal

ener isi

Isl enerji

dnm

Mekanik enerji

dnm

Elektrik enerjisi

Klasik evrim

Yakt Pili


22/96

11

Dorudan enerji dnm (yakma yok) Enerji dntrcde hareketli para olmamas Sessiz olmas Dk scaklk birimlerinin kullanmnn mmkn olmas Yakt esneklii Dk scaklk birimlerinin gvenilirliinin kantlamas Tasarm d ykte, iletimde iyi performansa sahip olmas Uzaktan iletim imkan l/boyut esneklii Hzl yk takip edebilme yetenei

Tm bu olumlu zelliklerin yan sra yakt pillerinin baz olumsuz ynleri de

bulunmaktadr. Bunlar yle sralanabilir:

Pazara giri maliyeti yksektir. Yksek scaklk birimlerinin gvenilirlii gsterilememitir. G retim endstrisi iin tandk olmayan bir teknolojidir. Baz yakt trleri iin (hidrojen, metanol vb.) bir datm altyaps bulunmamaktadr.

2.5 Yakt Pillerinin Trleri

Gelitirilmekte olan bir ok yakt pili tr vardr. Bunlar kulland yakt ve oksitleyici

tr, yaktn yakt pilinin dnda veya iinde ilenmesi, elektrolit tipi, iletim scakl,

yaktn besleme biimi vb. gibi ok deiik ekilde snflandrlabilir. Yakt pillerinin en

yaygn snflandrmas, hcrenin iinde kullanlan elektrolitin tipine gre yaplan

snflandrmadr. Bu snflandrmaya gre 7 tr yakt pili bulunmaktadr. Bunlar;

Polimer Elektrolit Membranl Yakt Pili (PEMYP) Dorudan Metanol Yakt Pili (DMYP) Dorudan Sodyum Bor Hidrrl Yakt Pili (DSBHYP) Alkali Yakt Pili (AYP) Fosforik Asit Yakt Pili (FAYP)

Erimi Karbonat Yakt Pili (EKYP) Kat Oksitli Yakt Pili (KOYP)

olarak yazlabilir.

izelge 2.1de yakt pilleri, zellikleri ve baz uygulama alanlar toplu halde verilmektedir.

Bu tabloya gre, yakt pilleri iletim scaklklar ve g younluklar bakmndan da

uygulama alanlarna gre snflandrlabilmektedirler. Elektrik mhendislii gz ile ele

alndnda, yakt pilli g sistemlerini , k gleri dorultusunda sahip olduklar uygulama

alanlarna gre snflandrmak daha doru olacaktr.


23/96

12

izelge 2.1 Yakt pili trleri ve kullanm alanlar

Yakt Pili

letim

Scakl

[oC]

G Verimi

[%]

Sistem

Verimi

[%]

G

Younluu

[mW/cm2]

Balca Uygulamalar

AYP 50-100 40-50 26-31 100-200 Uzay

PEMYP 50-125 40-50 32-40 350 Uzay, ara, yerleik

FAYP 180-210 40-45 36-45 100Kojenerasyon, ara,

yerleik

EKYP 630-650 50-60 43-55 100Kojenerasyon,

yerleik

KOYP 900-1000 50-60 43-55 240Kojenerasyon,

yerleik

DSBHYP 50-80 30-40 40 40 Tanabilir

DMYP 50-120 30-40 40 40 Tanabilir

Yakt pilleri, uygulama alanlarna gre ana balk altnda incelenecektir. Bunlar ;

Tanabilir uygulamalar Yerleik uygulamalar Ara uygulamalar

olarak snflandrlmaktadr.

2.5.1 Tanabilir Uygulamalar

Dier yakt pili trlerine nazaran daha dk g younluuna sahip olan Dorudan

Metanoll Yakt Pili (DMYP) ve Dorudan Sodyum Bor Hidrrl Yakt Pili (DSBHYP) bu

tr uygulamalarda kullanm alan bulmaktadr. Bu tr yakt pilleri, cm2 bana 100-200 mW

g younluuna sahip olup, elektrolit olarak sv metanol veya sodyum borhidrr zeltisi

kullanlmakta ve sv elektrolit beslemesi de yakt piline dorudan yaplmaktadr.

G younluklar ve kartulu yakt besleme zellikleri sayesinde, bu yakt pillerinin kullanm

alan bulduu balca tanabilir uygulamalar;


24/96

13

Dizst bilgisayarlar Cep telefonlar Tanabilir g kaynaklar

olarak sralanabilir. Bilindii zere gnmzde bu tr uygulamalarn enerji ihtiyac

ounlukla, Lityum Polimer (Li-Po) ve Nikel Metal Hidrr (NiMH) bataryalar ile

karlanmakta olup, yakt pillerinin bu tr bataryalara karn salad avantajlar aadaki

ekilde verilebilir:

Yksek enerji younluu Srekli yksek performans Zamanla dearj olmama arj tekrar ile kapasite kayb olmamas Yer ve arlk tasarrufu Uzun kullanm sresi

Yukarda saylan avantajlar dikkate alnarak, bu alanda aratrma gelitirme faaliyetlerinde

bulunan birtakm firmalarn yaptklar almalar neticesinde gelitirmi olduklar yakt

pillerinin kullanld tanabilir elektronik cihazlardan bazlar, aadaki ekillerde

verilmitir.

ekil 2.7 Dizst bilgisayar iin kullanlan DMYP uygulamas

ekil 2.7de grlen dizst bilgisayar NEC firmas tarafndan gelitirilmi olup, bilgisayarn

yakt ihtiyac, arka blmdeki silindirik kartu tarafndan salanmaktadr.

Tanabilir uygulamalara ilikin bir dier arpc rnek ise, hepsi Japon firmalar olan Hitachi,

Toshiba ve KDDI firmalarnn glerini birletirme karar vermesiyle ortaya kan ve DMYPkullanlan cep telefonu prototipi olup, bu telefon nceki bataryasna oranla 2.5 kat konuma


25/96

14

sresi salamaktadr (ekil 2.8) . Sz konusu telefonun yakt pili ve sv metanol besleme

kartuu telefonun arka ksmna gml ekilde yerletirilmi olup, arka d ksmda grlen

gzenekler ise yakt pilinin hava beslemesi iin kullanlmaktadr.

ekil 2.8 DMYP beslemeli cep telefonu prototip uygulamas

Yakt pillerinin tanabilir uygulamalarna ilikin bir baka rnek ise, ekil 2.9da verilen 100

Watt gcndeki DMYP tabanl g kaynadr. Voller Energy tarafndan gellitirilen bu g

kayna, ierisine uygun ekilde adapte edilen g elektronii devreleri sayesinde hem 24 V

DC hem de 220 V AC gerilim klarna sahiptir.

ekil 2.9 DMYP tabanl 100 Watt gcnde tanabilir g kayna

2.5.2 Yerleik Uygulamalar

Yakt pillerinin yerleik uygulamalarnda, yakt pili modl, yakt hazrlama, hidrojen

depolama, enerji koullandrma niteleri v.b. alt sistemlerin ve bileenlerin entegrasyonuna

ihtiya bulunmaktadr. Tasarlanan ve optimizasyonu gerekletirilen sistemin

entegrasyonunda; birim yatrm maliyeti, iletme maliyeti, verimlilik, enerji dnm

kayplar, yakt pili mr ve iletme esneklii gz nne alnmaldr.


26/96

15

Tm bu parametreler gz nne alndnda gerek iletim scakl, gerekse birim alandaki

g younluu ve toplam verim rakamlar dorultusunda, izelge 2.1den de grlecei

zere, bu tr uygulamalar iin en uygun yakt pili trleri Polimer Elektrolit Membranl Yakt

Pili (PEMYP), Ergimi Karbonatl Yakt Pili (EKYP) ve Kat Oksit Yakt Pili (KOYP)dir.

Yerleik uygulamalarda yakt pilleri eitli amalar iin kullanlabilmektedir. Bunlar:

Lokal yklerde talebin karlanmas, ebekeye ilave gcn salanmas, Acil durum gc olarak hastane, ofis gibi alanlarda kullanm, Sanayi uygulamalarnda pik glerin salanmas, ebeke frekans reglasyonlar, g kalitesi, reaktif g gibi yardmc servislerin

salanmas, Yenilenebilir uygulamalara dayal kesikli, ebekeden bamsz sistemler iin ilave gcn

salanmas,

olarak sralanabilir.

Genellikle yakt pillerinin yerleik uygulamalarnda - acil durumlarda kullanlanlar hari -

srekli iletimi ve elektriin yannda aa kan snn da kullanm (kojenerasyon) sz

konusudur. Atk enerji, yakt pili sisteminin trne bal olarak farkl scaklk seviyesinde

olmakta ve bu atk enerji deiik uygulamalarla geri kazanlabilmektedir. PEMYP iin bu

scaklk 80-90oC aralndadr. Bu nedenle PEMYPden elde edilen s, genellikle su ve ortam

stmasnda kullanlrken, yksek scaklk yakt pillerinden (EKYP ve KOYP) elde edilen atk

s ise buhar retiminde ve absorpsiyonlu soutma sistemlerinde kullanma daha uygundur.

Bu tr bir sisteme rnek olmas asndan 2 kWlk yakt pili modl ile alan, bir evin

elektriksel ve sl yk ihtiyacn karlamaya ynelik Viessmann firmas tarafndan

gelitirilmi PEMYP tabanl mikrokojenerasyon nitesi rnek olarak verilmitir (ekil 2.10).

PEM tipi yakt pilleri greceli olarak daha dk scaklklarda ve yksek g younluu ile

altrlr. k gcnn ihtiyaca gre ayarlanabilir olmas, zellikle hzl devreye almailemi gerektiren ara uygulamalar ve kk uygulamalarda nemli avantaj salamaktadr.

k gleri genellikle 50 W ile 250 kW arasnda deimektedir.


27/96

16

ekil 2.10 PEMYP tabanl mikrokojenerasyon nitesi

Yerleik uygulamalarda yakt pillerinin saland avantajlar ise, aadaki gibi sralanabilir:

Periyodik bakma ihtiyac yoktur lk devreye almada dizel jeneratrden daha gvenilirdir Bakm gideri yoktur Eksoz emisyonu ve grlt problemi yoktur

mekanlarda ve yeraltnda kullanlabilir Grlt problemi yoktur

2.5.3 Ara Uygulamalar

1980lerin sonlarndan beri aralarda yakt pili kullanmna ynelik youn almalar

yaplmaktadr. Bu gelimeler iin en etkili parametre temiz ve verimli aralara duyulan

ihtiyatr. Teknolojideki gelime; dk fiyata, dk emisyonla, yksek verimle, yksek

nitelikte g retmek ynndedir. Yakt pilleri tm bu kriterleri karlayabilecek

zelliktedir. Sessiz, verimli ve temiz olmas nedeniyle iten yanmal motorlarn yerini

alabilecek niteliktedir. Yakt pilli sistemin bir avantaj da, ok az hareketli para

iermesinden dolay, az bakm gerektirmesidir.

Bu nedenle, yakt pillerinin en nemli uygulama alanlarndan biri de ulam endstrisidir.

Yakn gelecekte yakt pilli arabalar kullanma sunulacaktr. Ancak yakt pilli tatlar imdilik

yalnzca baz zel durumlarda ekonomik olarak yarabilmektedir. Bu aralar iin en

uygun yaktlar ise hidrojen ve metanoldr. Yukardaki blmde de vurguland gibiPEMYP ve DMYPnin otomotiv uygulamalar iin uygun olduu da grlmektedir.


28/96

17

Metanol veya hidrojenden hangisinin lider olacana karar vermede gvenlik, ekonomi,

verim, emisyon ve datm nemlidir.

Yakt pilli tatlarn baz avantajlar aada verilmitir:

Yksek elektriksel verim ok dk/sfr lokal emisyon Mekanik vibrasyonun olmamas Dk bakm gereksinimi Hzl devreye alma, abuk hzlanma Etkin enerji salama Yakt pili modlnn modler yapsndan dolay yksek tasarm esneklii

Gnmze kadar ticarilemesi ok hzl olmayan yakt pillerinin, birka yl iinde hzla

ticarileecei beklenmektedir. Dier taraftan ok sayda deneme arac kullanmdadr.Yakt pilli otobsler, Chicago ve Vancouverda almaktadr. Californiada gelecek birka

yl iinde 70 zerinde deneme arac retimi iin otomobil reticiler ve yakt firmalar

almaktadr. Kanada'da demiryolu elektriinde ve Almanya'da da denizaltlarn tahrikinde

yakt pillerinin kullanm zerinde durulmaktadr.

Dnyada birok kurulu farkl trde yakt pilleri zerinde almaktadr. Ulam sektrnde

yakt pilinin uygulanmasna ynelik alan baz firma ve kurulular unlardr: Ballard Power

Systems, BMW, Chrysler, Daimler-Benz, DaimlerChrysler, Energy Patterns, Ford Motor

Company, General Motors, H-Power Corporation, International Fuel Cells, Mazda, Nissan,

Opel, Siemens AG, Toyota, Volkswagen/Volvo, Zevco.

ekil 2.11 NECAR yakt pilli binek otomobil

Dnyann ilk yakt pilli arac, Allis Chalmers irketi tarafndan 1959 ylnda retilmi olup bu

traktr, Alkali Yakt Piliyle (AYP) almaktayd ve tantm iin kullanldktan sonraSmithsonian Mzesine verilmitir.


29/96

18

Daimler-CHRYSLER Tarafndan Kasm 2000de tantlan NECAR5 (ekil 2.11),

Mercedesin A snf otomobilleri temel alnarak tasarlanm olup, 5 yolcu kapasiteli

otomobilde 75 kW gcnde Metanol Tipi Yakt Pili kullanlmtr. Bu aracn azami hz 150

km/h olup,retilen aralardan 60 tanesi u an Singapur, Almanya, Japonya ve ABDde

mterileri tarafndan kullanlmaktadr.

Sessiz almalar ve bnyelerindeki konvansiyonel batarya sistemlerini desteklemeleri gibi

avantajlar nedeni ile, yakt pilleri denizaltlarda da kullanm alan bulmu ve 2003 ylnda

talyan Fincantari tersanesi tarafndan denize indirilen yakt pilli denizaltlar, snfnn en

iyileri olarak grlmektedirler (ekil 2.12)

ekil 2.12 A212 snf yakt pilli denizalt


30/96

19

3. YAKIT PLLE BESLENEN DNTRC DEVRELER

Yakt pili hcre gerilimi genel olarak ok dk bir deere sahiptir. Bu deer teorik olarak

maksimum 1.2 Vdur. Tipik bir yakt pili hcresinde elektriksel gerilimin, akm younluuna

gre deiimini gsteren grafik, ekil 3.1de verilmitir. ekildeki karakteristikten degrld zere, gerilim dmnn, akm younluu ile lineer olarak deitii omik bir

blge bulunmaktadr. Bunun nedeni omik kontak nedeni ile k geriliminin

snrlandrlmasdr. Bu blgenin dnda, k geriliminin hzl olarak deitii

grlmektedir. ok yksek akm younluklarnda gaz transfer verimliliinden dolay gerilim

byk lde dmektedir. Dk akm seviyelerinde ise, omik kayplar daha az olmakta ve

gerilimdeki art ise kimyasallarn aktivitesinden kaynaklanmaktadr. Yakt pilli sistemlerinin

en son bileeni olan g koullandrma sisteminin grevi, yakt pili modlnden elde edilenelektriksel k gcn, zel uygulamalar ve dier yardmc sistemler iin kullanlabilir

dzeye evirmektir. G koullandrma ve kontrol bloklarnn beraber yer ald temel bir

yakt pilli g retim sistemi ekil 3.2de gsterilmektedir.

ekil 3.1 Yakt pillerine ait akm-gerilim karakteristii

Elektrik mhendislii gzyle bakldnda yakt pili sistemi, yke baml olarak deien bir

gerilim reten DC g kaynadr. Bu nedenle g elektroniinin anahtarlamal g


31/96

20

kaynaklar alt konusuyla ok yakndan ilgilidir. Yakt pili ile uygulama devresi arasndaki

uyum, anahtarlamal dntrc (konverter) sistemi ile salanr. Ayn zamanda yakt

hcresinden ekilen ar akm ve buna bal olarak ktaki dk gerilim durumlarnda

yakt pilini yine bu anahtarlamal dntrc sistemi korur. Eer uygulama AC gerilim

gerektirirse, retilen DC gerilim uygulamann ihtiyacna gre bir inverter (DC-AC

dntrc) yardmyla bir veya fazl AC gerilime dntrlebilir.

ekil 3.2 Yakt pili tabanl g retim sistemi blok diyagram

Yakt pili sistemlerine ait elektriksel k, dzgn bir DC gerilim olmasnn yan sra, bu

sisteme ait en nemli handikaplardan birisi de, sistemin besledii ykte olabilecek ykdeiikliklerine hzl cevap verememesi ve bundan dolay sistemin toplam verimliliinin ciddi

ekilde azalmasdr. Bunun yan sra yakt pili sistemini geleneksel elektrikli g

kaynaklarndan ayran en nemli fark, retilen gcn srekli devam etmesi gereken bir

kimyasal proses sonucu olumasdr. Bu durum ise sistemden belirli zamanda ekilebilecek

akm miktarna ciddi bir kstlama koymaktadr. Sistemden, optimum alma artlarndan

daha uzun sreli akm elde etmek ise sistemde meydana gelen kimyasal reaksiyonlarn

hzlarn yakt pili hcrelerinin salayamayaca bir hz seviyesine ekmeye almasna yol

aaca iin yakt pili modlnde, zellikle membran yapsnda onarlamaz hasarlara neden


32/96


33/96

22

retilen akm ve gerilimin daha kararl hale gelmesini salarlar. Bunun sonucunda sistemde

kullanlan bileenlerden, istenmeyen akm ve gerilim dalgall azalaca iin, maksimum

verimlilikte faydalanlr (Mohan vd, 2003).

Genellikle, anahtarlamal g kayna eklinde tasarlanan DC-DC dntrc sistemleri,zellikle 300 W ve daha yksek g mertebelerinde, elektriksel izolasyonun nemli boyutlara

geldii durumlarda, temel devre topolojisi asndan, inverter sistemleri ile birbirlerine

olduka benzemektedirler. Yksek g mertebelerinde alabilen DC-AC dntrc

(inverter) sistemleri, bnyelerinde aslnda bir DC-DC dntrc nitesini de kapsadklar

iin, bu blmde dntrclerle alakal genel bir bilgilendirme yaplmtr. Dk g

uygulamalarnda kullanlan ve dorudan anahtarlama yaparak k gerilimini ayarlayan,

izoleli olmayan DC-DC dntrcler, aada aklanmtr. Bu tip DC-DC dntrcler,kta elde edilen gerilimin deerine gre; ykseltici, drc ve drc-ykseltici

evirici olmak zere 3 farkl ekilde modellenmektedir (ekil 3.4).

ekil 3.4 Dk glerde kullanlabilecek evirici topolojileri a) Drc dntrc

b) Ykseltici dntrc c) Drc-ykseltici dntrc


34/96

23

ekil 3.5 H kpr g kayna

Klasik tip DC-DC dntrclerin yan sra, anahtarlama kayplarn azaltmak iin yumuak

anahtarlamal yeni dntrc yaplarnn da gelitirilmesi gerekmektedir. ekil 3.5te, H

kpr bir seri rezonans dntrc grlmektedir. Bu devre yapsn en nemli avantaj, ksa

devre korumasna ihtiya duymamas ve trafoda doyma probleminin olmamasdr. Oysa ki

sert anahtarlamal sistemlerde dntrc transformatr nitesi iin ok dzgn bir iftynl gerilime ihtiya duymakta veya akm modunda kontrol yaplmasn gerekli klmaktadr.

Aksi durumda transformatr doyuma gideceinden ek kayplar ve tehlikeli alma koullar

oluur.

ekil 3.6 Seri rezonans dntrc


35/96

24

DC-DC dntrc, ayn zamanda, inverterin DC izolasyonu iin de kullanlabilir. Bu

uygulamann nedeni, inverterin kna dk frekansl bir transformatrn konulmas

byklk bakmndan byk bir sorun olacandan tr, genellikle inverter ile yakt pili

modlnn arasna bir DC-DC dntrc nitesi eklenir. Bunun iki nedeni vardr. Birincisi

DC izolasyon ve ikincisi ise inverterin girii iin gerekli olan byklkte DC gerilimin

retilmesidir. rnek olarak, 200 Vluk DC k gerilimine sahip bir yakt pili modl, 380

Vluk AC gerilim retemez, bunu iin ara kata bir ykseltici trafo konulmaldr (ekil 3.6).

3.1.2 nverter Topolojileri

3.1.2.1 Sert Anahtarlamal nverter

Sert anahtarlamal inverter, bilinen en klasik topoloji olmas ile birlikte anahtarlama kayplar

da ok yksek seviyededir. Bu topoloji uzun zamandr, pek ok endstriyel src

uygulamalarnda kullanlm ve kendini kantlam bir sistemdir.

ekil 3.7 Sert anahtarlamal inverter

3.1.2.2 Rezonans Faz Kollu nverter

Rezonans faz kollu inverter, sert anahtarlamal inverterin gelitirilmi bir versiyonudur.

Anahtarlama tablosu ile kontroll rnekleme yaplarak, transistrlerde sfr gerilimde

anahtarlama salanabilir. Modlasyon yntemi gelitirilerek, deiken frekans modlasyonu

ile yumuak anahtarlama aral geniletilebilir. Yumuak anahtarlama yaplarak, anahtarlama

elemanlar zerindeki iletime girme ve iletimden kma anlarnda oluan kayplarn

azaltlmas hedeflenmektedir.


36/96

25

ekil 3.8 Rezonans faz kollu inverter

3.1.2.3 Yardmc Rezonans Komtasyonlu Kutup nverter

Yardmc rezonans komtasyonlu kutup inverter, rezonans faz kollu inverterin gelitirilmi bir

versiyonudur. Bu topolojide, ana anahtarlama elemanlarnda hafif yklerde sfr gerilimde

anahtarlama salanabilmesi iin yardmc transistrler kullanlmaktadr. Bu topolojinin

avantaj, geni bir yk aralnda alabilmeye imkan vermesi olup, kullanlan komponent

saysnn da fazla olmas byk bir dezavantajdr.

ekil 3.9 Yardmc rezonans komtasyonlu kutup inverter


37/96

26

3.1.2.4 Aktif Hcreli Rezonansl DC Baral nverter

Aktif hcreli rezonansl DC baral inverter, DC bara gerilimi 2 kat olan klasik rezonansl

inverterin gelitirilmi bir versiyonudur. Eklenen devre elemanlar sayesinde DC bara

gerilimi, giri geriliminin 1.3 katna kadar kontrol edilebilmektedir. Bununla birlikte budevrede, dzenli rnekleme modlasyonu kullanlamayp, yalnzca gen modlasyon

kullanlabilmektedir. Bu da devreye birtakm kstlamalar getirmektedir. eitli deneysel

sonular, DC barasnda rezonans anahtarlamasna ait sfr gerilimde anahtarlamann ok

gvenilir bir biimde yaplamadn ortaya koymaktadr. Bu nedenle gnmzde bu topoloji

ancak snrl birtakm endstriyel srclere adapte edilebilir.

ekil 3.10 Aktif hcreli rezonansl DC baral inverter

3.2 Evsel Ykleri Besleme Amal Geleneksel Bir G Koullandrma Sisteminin

ncelenmesi

Yakt pili modllerinin, tek bir hcrenin elektriksel karakteristiinden yola klarak, dk

gerilimli ve yksek akml g kaynaklar olduu grlmektedir. Bu zellik gz nnde

bulundurularak, yakt pili sistemine, ehir ebekesinden (220V AC, 50 Hz) beslenecek

herhangi bir yk balanmas durumunda DC-DC Ykseltici Dntrcl nverter g

koullandrma nitesi incelenecektir (ekil 3.11).


38/96

27

ekil 3.11 Yakt pili g koullandrma sistemine ait g devresi

Yakt pili g koullandrma sisteminin ana blmleri aada verilmitir:

Yakt Pili : Sistemin giri g katdr. Giri Filtresi: Yakt pili modlnden gelen akmdaki dalgall azaltma amal olarak seri

balanm endktans ve gerilimdeki dalgallk orann azaltmak iin paralel balkondansatrden oluan filtredir.

DC-DC Dntrc: ekil 3.11den de grlecei zere, bu evrim kat ile, ncelikleyakt pili DC k, AC gerilime dntrlerek ykseltici transformatre uygulanmasve transformatrn de sekonder tarafndan elde edilen ykseltilmi AC gerilim de diyotludorultucuya uygulanarak, istenilen deerde DC gerilime ulalmas amalanmtr.

Filtre: DC-DC dntrc nitesinin kndaki akm ve gerilimdeki dalgallk oranlarnazaltma amal srasyla seri bal bir endktans ve paralel bal bir kondansatrdenoluan filtredir.

Ak Grubu: Yakt pilli g retim sistemlerinde, sistemdeki yk deiikliklerinde yakt pilimodlnn optimum g seviyesine ulama sresince grev alacak olan tampon akgrubudur. Ayn zamanda sz konusu ak grubu, nominal yk beslemesinin altnda, yaktpilinden elde edilen fazla elektriksel enerjiyi depolama grevini stlenmektedir.

Tek Fazl nverter: DC-DC dntrc ve ak grubundan sonra yer alan bu tek fazlinverter katnda, elde edilmi mevcut DC gerilimin, ktaki tek fazl AC ykbesleyecek gerilim seviyesine getirilmesi amalanmaktadr.

k Filtresi: nverter knda elde edilen harmonik ierikli akm ve gerilimin, yksekharmonik bileenlerini yok ederek, temel bileen olarak 50 Hzlik akm ve gerilim eldeedilmesi amal kullanlan filtredir.

Yk: G koullandrma sisteminin elektriksel k nitelikleri ile uyumlu, yani uygunakm, gerilim ve g aralnda besleme talep eden yk nitesidir.


39/96


40/96

29

verilmemelidir. Aksi halde ayn faz kolunda ksa devre oluarak elemanlarn tahrip olmasna

yol alr. EMI grltsnden dolay kaynaklanan yanl anahtarlama sinyallerinden dolay

oluan ksa devre problemleri ise bir g dntrcnn gvenilirliini ortadan kaldran

byk bir etkendir. Gerilim kontroll inverterlerde zorunlu olarak st ve alt sra elemanlarnn

anahtarlama sinyalleri arasna konulan l zaman ise, dalga ekillerinde bozulma gibi

sorunlara neden olmaktadr.

Akm kontroll dntrclerde ise, sinzoidal k elde etmek iin ka LC filtre

eklemek gerekmektedir, bu da ek olarak g kaybna ve kontrolde karmakla neden

olmaktadr.

ekil 4.2 Geleneksel akm kontroll dntrc

ekil 4.2de, geleneksel bir 3 fazl akm kontroll dntrcnn yaps gsterilmektedir.

Burada bir DC g kayna, 3 fazl kpr yapsndaki ana dntrc katn beslemektedir.

Bu DC g kayna, batarya, yakt pili, diyotlu dorultucu veya tristrl dntrc gibi g

kaynaklarndan beslenen olduka byk deerli bir DC endktans olabilir. Ana devrede 6 adet

anahtar kullanlmaktadr ve bunlarn her biri, ters ynde gerilim tutma zellii olan GTO,

SCR veya bir g transistr ile bunlara seri bal, tek ynl akm akn ve ift ynl

gerilim tutma zelliini salayan diyotlardan olumaktadr. Bununla birlikte akm kontroll

dntrcye ait aada deinilen kavramsal ve teorik ynden birtakm engel ve

snrlamalar mevcuttur.

Akm kontroll dntrclerde, AC k gerilimi, DC endktans besleyen DC gerilimden

daha yksek olmaldr veya retilen DC gerilim her zaman AC giri geriliminden daha dk

olmaldr. Dolaysyla akm kontroll dntrc, DC-AC evrimlerde ykseltici inverter;


41/96

30

AC-DC evrimlerde ise drc dorultucu ilevine sahiptir. Geni bir gerilim aralna

ihtiya bulunan uygulamalarda sisteme bir DC-DC drc (veya ykseltici) dntrc

eklenmesi gerekmektedir. Bu ek g kat, sistemin maliyetini arttrp, verimlilii

drmektedir.

Ancak bununla birlikte bu topolojide, st ve alt sra elemanlar ayn anda iletime girerek

almaktadrlar. Aksi taktirde bir ak devre oluabilir ve DC endktans oluarak elemanlar

tahrip edebilir. EMI grltsnn neden olabilecei bir yanl anahtarlama sonucu

oluabilecek bir ak devre durumu, dntrcnn gvenilirliini zedeleyen en nemli

etmendir. Akm kontroll dntrclerde, akm komtasyonunun gvenli olarak salanmas

iin gerekli olan st ste binme sresi (overlap time), ayn zamanda dalga eklinde bozulmaya

da neden olmaktadr.

Akm kontroll dntrclerde, ters gerilimi nlemek iin kullanlan diyotlar , yksek hzl

ve performansl olan IGBT elemanlarna seri balanmaktadr. Ancak bu durum, dk fiyatl

ve yksek performansl IGBT modllerinin ve IPMlerin (Akll G Modl - Intelligent

Power Module) kullanmna engel olmaktadr.

Tm bunlara ek olarak, hem gerilim kontroll hem akm kontroll dntrcler ortak olarak

birtakm problemlere sahiptirler:

Ya ykseltici ya da drc olarak grev yapan bu dntrcler, hem ykseltici hemdrc dntrc olarak grev yapamazlar nk elde edilen k g aral, girigeriliminden ya daha dk ya da daha yksek olmak durumundadr.

Ana devre katmanlar kendi aralarnda yer deitirmez, yani ne bir gerilim kontrolldntrc, akm kontroll dntrc olarak kullanlabilir, ne de bunun tersi birdurum sz konusudur.

EMI grltsnn neden olabilecei kt etkilere aktrlar.

4.1 Empedans Kaynakl Dntrc Devre Yaps

Burada geleneksel akm ve gerilim kontroll dntrclerin neden olduu sorunlarn

stesinden gelebilmek iin, empedans kaynakl dntrc olarak adlandrlan bir g

konverteri ele alnacak ve bu dntrcnn DC-AC, AC-DC, AC-AC ve DC-DC g

evrimindeki kontrol yntemleri anlatlacaktr. ekil 4.3te empedans kaynakl

dntrcnn genel yaps gsterilmitir. Bu yapda tek tip bir empedans a (veya devresi)

mevcut olup, bu yap ana devreyi g kaynana, yke veya baka bir dntrcye akupleeder. Bylelikle srasyla kapasitr ve endktans kullanlan geleneksel dntrclerde


42/96

31

gzlenemeyen zgn bir nitelik kazanlmtr. Empedans kaynakl dntrc, geleneksel

dntrclerin sahip olduu, nceki blmde belirtilmi kavramsal ve teorik engellemelerin

stesinden gelerek, yeni bir g evrim konsepti sunmaktadr.

ekil 4.3 Empedans kaynakl dntrcnn genel devre yaps

ekil 4.3te X eklinde balanm ayrk L1, L2 endktanslar ile C1, C2 kapasitelerinin

oluturduu empedans ann, dntrcy DC kaynaa, yke veya baka bir

dntrcye nasl balanabileceini gsterilmektedir. DC g kayna veya yk, akm veya

gerilim kayna ya da yk olabilir. Dolaysyla DC kaynak, bir batarya, diyotlu dorultucu,

tristrl dntrc, yakt pili, bir endktans, bir kapasitr veya tm bu elemanlarn bir

kombinasyonu olabilir. Dntrcde kullanlan anahtarlar da, anahtarlama elemanlar ve

diyotlarn ekil 4.1de gsterildii zere ters paralel kombinasyonda veya ekil 4.2de

gsterildii zere seri kombinasyonda olabilirler.

ekil 4.4 Anahtarlama elemanlarnda ters paralel bal diyot bulunduran empedans kaynakldntrc yaps


43/96

32

ekil 4.4 ve 4.5te, 2 adet 3 fazl empedans kaynakl inverter kombinasyonu gsterilmektedir.

L1 ve L2 endktanslar, ayn nve zerine sarl iki ayrk endktanstan oluturulabilecei gibi,

2 adet ayr endktans ta olabilir.

ekil 4.5 Anahtarlama elemanlarna seri bal diyot bulunduran empedans kaynakldntrc yaps

Empedans kaynakl dntrc konsepti, tm DC-AC, AC-DC, AC-AC ve DC-DC g

evrim topolojilerine uygulanabilmektedir. Burada alma prensibi ve kontrol zelliklerini

aklayabilmek zere, empedans kaynakl dntrcnn inverter olarak kullanld yakt

pili uygulamas zerinde durulacaktr.

ekil 4.6da, yakt pili uygulamalarnda kullanlan geleneksel iki basamakl g evrim katna

sahip yap grlmektedir. Yakt pili sistemlerinde, modlden ekilen akm deiimine gre

retilen gerilim 2:1 orannda bir aralkta deimektedir.

ekil 4.6 Geleneksel iki basamakl yakt pili beslemeli dntrc


44/96

33

Yakt pillerinin ara ve elektrik ebekesi ile uyumlu yklerin beslenmesine ynelik

uygulamalarnda, gerilim kontroll inverterin, DC gerilimden daha yksek bir AC gerilim

retememesinden dolay, bir DC-DC ykseltici konvertere ihtiya vardr. ekil 4.7de

empedans kaynakl dntrcnn yakt pili uygulamasn gsteren, yakt pili geriliminden

daha dk veya daha yksek gerilim retebilen sistem gsterilmitir. ekil 4.6 ve 4.7de

yakt piline seri bal olan diyot ise genellikle ters ynde akm akn nlemek iin

kullanlmaktadr.

ekil 4.7 Yakt pilli uygulamalar iin empedans kaynakl dntrc sistemi

4.2 Edeer Devre, alma Prensibi ve Kontrol

ekil 4.8 DC baradan bakldnda empedans kaynakl invertere ait edeer devre

Bir g dntrcsnde, AC k geriliminin, yakt pili modl geriliminden bamsz


45/96

34

olarak 0 ile sonsuz arasnda deiebilmesi, yalnzca empedans kaynakl dntrcde

salanabilen bir zelliktir. Bylelikle denilebilir ki, empedans kaynakl inverter, elde edilen

gerilimin deer aralnn ok geni olduu bir ykseltici-drc inverterdir. Geleneksel

gerilim ve akm kaynakl inverterler bu zellii salayamamaktadr

ekil 4.7 de grlen empedans kaynakl inverterin alma prensibi ve kontroln

aklamadan nce, inverterin yapsn incelemek gerekmektedir. ekil 4.8de gsterilen 3 fazl

empedans kaynakl inverter kprsnn 9 adet anahtarlama konumu (vektr) vardr ki, bu

konum geleneksel gerilim kontroll inverterlerde 8dir. Geleneksel 3 fazl gerilim kontroll

inverterlerde DC gerilim yke uygulanrken 6 adet aktif vektr ve yk terminali ksa devre

edildiinde yani srasyla alttaki ve stteki 3er anahtarlama eleman ksa devre edildiinde-

de 2 adet sfr konum vektr bulunmaktadr. Bu durum yk terminalinin, ayn bir faz, iki fazveya tm faz kollarndaki st ve alt sra elemanlarn ayn anda kap sinyali verilerek ksa

devre edilmesine tekabl etmektedir. Bu ksa devre sfr konumu (veya vektr), geleneksel

gerilim kontroll inverterlerde ksa devreye neden olduu iin kullanlamaz. Bu nc sfr

konum vektr, ksa devre sfr konum vektr olarak adlandrlr ve yedi farkl yolla elde

edilebilir: Yalnzca bir faz kolunun ksa devre edilmesiyle, 2 faz kolunun ksa devre

kombinasyonu ve tm faz kollarnn ksa devre edilmesi. Empedans a, ksa devre sfr

konumunu mmkn klmaktadr. Bu ksa devre sfr konumu, invertere hem drc, hem

ykseltici olarak alma zgnln kazandrmaktadr.

ekil 4.9 DC baradan ksa devre sfr konumunda bakldnda empedans kaynakl invertere

ait edeer devre


46/96

35

ekil 4.8de, ekil 4.7de gsterilen empedans kaynakl dntrcye ait DC baradan

grnen edeer devre gsterilmektedir. ekil 4.9da gsterildii zere inverter kprs, ksa

devre sfr konumunda, ksa devre olarak gzkmektedir. Dier alt adet anahtarlama

konumunda ise, ekil 4.10da da grld zere inverter kprs, bir akm kayna

olmutur. Burada dikkate alnmas gereken bir dier nokta da inverter kprsnn 2 adet sfr

anahtarlama konumlarnn birisinde bile sfr deerinde (ak devre) bir akm kayna olarak

gsterilmesidir.

Dolaysyla ekil 4.10, empedans kaynakl inverterin sekiz adet ksa devre olmayan

anahtarlama konumlarnda herhangi birindeyken DC baradan grlen edeer devresini

gstermektedir.

ekil 4.10 DC baradan ksa devre sfr olmayan konumlarda bakldnda empedans kaynaklinvertere ait edeer devre

Tm geleneksel darbe genilik modlasyonu (Pulse Width Modulation-PWM) teknikleri,

empedans kaynakl inverteri ve onun teorik giri k deerlerini kontrol altnda tutmak iin

kullanlabilir.

4.3 Devrenin Analizi ve k Geriliminin Elde Edilmesi

Srasyla L1 ve L2 endktanslarnn ve C1, C2 kapasitelerinin ayn endktans (L) ve kapasitans

(C) deerlerine sahip olduu kabul edilerek, empedans ann simetrik olduu grlr.

Simetri ve edeer devreden sras ile konansatr ve endktans gerilimler iin,

CCC VVV == 21 LLL == 21 (4.1)


47/96

36

ifadeleri yazlabilir. Anahtarlama periyodunu T ve ksa devre sfr konum sresini T0 olarak

ifade edilip, 4.9daki edeer devreden

CL V= Cd V2= 0=i (4.2)

ifadeleri yazlabilir. T anahtarlama periyodu boyunca inverter kprsnn T1 aral kadar,

sekiz adet ksa devre olmayan anahtarlama konumlarndan birinde olduunu varsayalm. ekil

4.10daki edeer devreden,

CLVVv = 0 0Vvd = 02 VVvVv CLCi == (4.3)

elde edilir. Burada V0, DC kaynak gerilimi olup, T=T0+T1dir. Srekli halde, bir anahtarlama

periyodu (T) boyunca endktanslarn ortalama gerilimleri sfr olmaldr, (4.2) ve (4.3)ten ,

0).(. 010 =

+==

T

VVTVTvV CCLL (4.4)

veya

01

1

0 TT

T

V

VC

= (4.5)

ifadeleri yazlabilir. Benzer bir ekilde, inverter kprs zerindeki ortalama DC gerilim de,

C

C

ii VVTT

T

T

VVTTvV =

=

+== 0

01

1010 )2.(0. (4.6)

eklinde elde edilir. (4.3) nolu eitlikte verilen, inverter kprs zerindeki ortalama DC hat

geriliminin tepe deeri,

0001

0.2 VBV

TT

TVVvVv

CLCi=

=== (4.7)

1

21

1

001

=

=

T

TTT

TB (4.8)

eklinde elde edilir. Burada B, ksa devre sfr konumundan dolay sonulanan ykseltme

faktrdr (Boost Factor). Tepe DC hat gerilimi iv , invertere ait edeer DC hat gerilimidir.

te yandan inverterin tepe faz gerilimi,


48/96

37

2

. iacv

Mv = (4.9)

eklinde tanmlanr. Burada M, modlasyon indeksidir. (4.7) ve (4.9) nolu ifadeler

kullanlarak, inverterin tepe faz gerilimi,

2.. 0V

BMvac = (4.10)

eklinde elde edilir. Geleneksel gerilim kontroll PWM inverterlerden iyi derecede bilinen

2/. 0VMvac = eitlii bulunmaktadr. (4.10) nolu eitlik bize gstermektedir ki, k

gerilimi uygun bir BB faktr (Drme-Ykseltme, Buck-Boost Factor) kullanlarak

ykseltilebilir veya drlebilir. BB,

)~0(. == BMBB (4.11)

eklinde yazlabilir. Buck-Boost faktr BB, modlasyon indeksi M ve ykseltme faktr

(Boost Factor) Bden tretilmitir. (4.8) nolu ifadeden de grlebilecei zere B ykseltme

faktr, inverter PWMinin ksa devre sfr konumlarnn, ksa devre olmayan konumlarna

oran olan bal iletim sresi ile kontrol edilmektedir.

(4.1), (4.5) ve (4.8) nolu ifadelerden, kapasitr gerilimi aadaki gibi yazlabilir.

00

0

21

21

1V

T

TT

T

VVV CCC

=== (4.12)

ekil 4.11de, gen karlatrmal klasik PWM anahtarlama sras gsterilmitir. Her bir

anahtarlama evriminde, istenilen gerilimin elde edilmesi iin 2 adet ksa devre olmayan sfranahtarlama vektr, bir sonraki 2 aktif vektrle kullanlmtr. Eer DC gerilim, istenilen AC

gerilimi retebilecek kadar yksek ise, ekil 4.11deki klasik PWM teknii kullanlr. Eer

DC gerilim, istenen AC gerilimi retmek iin yeteri kadar yksek deilse (gerilimi

ykseltmek iin) ekil 4.12de gsterilen modifiye edilmi ksa devre sfr konumlu PWM

teknii kullanlr. Burada dikkat edilmesi gereken bir husus ta, her bir faz kolunun halen her

bir anahtarlama evrimi boyunca bir kez ak ve kapal konumuna gelmesidir. Toplam sfr

konum anahtarlama araln deitirmeksizin , ksa devre sfr konumlar her bir faz koluna

yerletirilmektedir. Bylelikle aktif konumlar da deimeden kalr. Bununla birlikte invertere


49/96

38

giren DC bara edeer gerilimi de, ksa devre sfr konumlar nedeniyle ykseltilmi olur.

Bir sonraki blmde, bunu hakknda detayl analizlere yer verilecektir. Burada grlmektedir

ki, empedans andan grlmekte olan edeer anahtarlama frekans, ana inverterin

anahtarlama frekansnn 6 kat byklnde olup, bu da empedans anda ihtiya duyulanendktans deerini nemli lde drmekte ve bu durum da gerek boyut gerekse maliyet

asndan kazanma neden olmaktadr.

ekil 4.11 Geleneksel PWM kontrol


50/96

39

ekil 4.12 Aktif vektrler deitirilmeksizin ksa devre sfr konumlarn ieren PWMkontrol

4.4 Empedans Andaki Endktans ve Kondansatrler

Geleneksel gerilim kontroll inverterlerde, enerji depolamak ve gerilimdeki dalgall

bastrmak iin filtreleme ve geici depolama eleman olarak kullanlan tek eleman DC

kondansatrdr. Geleneksel akm kontroll inverterlerde ise, DC endktans eleman akmdaki

dalgall bastrma ve geici depolama eleman olma amal kullanlan yegane enerji


51/96

40

depolama ve filtre elemandr. Empedans a, iki adet endktans ve iki adet kapasitenin bir

kombinasyonu eklindedir. Bu kombine devre yani empedans a, empedans kaynakl

inverterin enerji depolama ve filtre elemandr. Empedans a, ift katl bir filtre grevi grr,

dolaysyla gerilim ve akmdaki dalgallk orann bastrma hususunda, klasik inverterlerdeki

yalnz kullanlan kondansatr ve endktanslardan daha iyi grev grmektedirler. ki

endktans (L1 ve L2) kk deerli olup, sfr deerine eritiklerinde empedans a, 2 adet

paralel bal kondansatre (C1 ve C2) indirgenir, bylelikle klasik bir gerilim kontroll

inverter elde edilir. Bu nedenden tr, klasik gerilim kontroll inverterde kondansatr

gereksinimi ve fiziksel bykl, empedans a iin en kt durum ihtiyacdr. Endktanslar

sayesinde gerekletirilen ek filtreleme ve enerji depolama gibi ihtiyalar gz nne

alndnda empedans a, klasik gerilim kontroll invertere gre daha dk deerli ve

fiziksel olarak daha kk kondansatrlere ihtiya duyar. Benzer bir ekilde, iki adet

kapasitr (C1 ve C2) kk deerli olup, sfr deerine ulatklar taktirde empedans a, seri

bal iki adet endktansa (L1 ve L2) indirgenir ve akm kontroll inverter oluur. Bu nedenle

akm kontroll inverterdeki endktans ihtiyac ve fiziksel bykl, empedans a iin en

kt durum ihtiyacdr. Kapasiteler tarafndan salanan ek filtreleme ve enerji depolama

durumu gz nne alndnda , empedans ann klasik akm kontroll invertere oranla daha

kk deerli ve kk boyutlu bir endktansa ihtiyac olduu grlr.

4.5 Simlasyon, Prototip ve Deneysel Sonular

ekil 4.13te verilen devrenin, aadaki alma artlar altnda yaplan simlasyon sonucu

elde edilen deiimler, ekil 4.14te grlmektedir.

ekil 4.13 Simlasyon ve prototip sisteme ait devre konfigrasyonu


52/96

41

Simlasyon almasnda; yakt pili modl gerilimi (V) = 150 V DC, empedans a

parametreleri; L1 = L2 = L = 160 H ve C1 = C2 = C = 1000 F deerleri kullanlmtr.

Bu sistemin amac, DC k gerilimi, yk akmna gre 150 ile 340 V DC arasnda deien

bir yakt pili modlnden, inverter knda 3 fazl 208 Vrms deerinde AC gerilim eldeetmektedir.

ekil 4.14 Simlasyon sonular (DC bara gerilimi=150 V ve M=0.642)

ekil 4.14ten de aka grlecei zere kapasitr gerilimi, VC2=335Va kadar

ykseltilmitir ve k fazlararas gerilimi de 208 Vrms veya 294 V tepe gerilimidir. Bu

durumda, modlasyon indeksi M = 0.642 deerine ayarlanmtr, ksa devre bal iletim sresi

ise T0/T = 0.358dir ve anahtarlama frekans da 10 kHzdir. Ksa devre sfr konumu da, 3 faz

kollar arasnda dzenli ve eit bir biimde artarak, empedans anda grlen edeer


53/96

42

anahtarlama frekans 60 kHz olur. Bylece ihtiya bulunan DC endktans Lnin deeri

minimize edilir. Yukardaki analizler sonucunda, aadaki teorik hesaplara ulalr:

52,3

21

1

0

=

=

TT

B (4.13)

VVV

T

TT

T

VVV CCC 339150.26,2

21

1

00

0

21 ==

=== (4.14)

VVV

BMvac 5,1692

150.52,3.642,0

2.. 0 === (4.15)

(4.15) nolu eitlikte, faz gerilimi tepe deeri, faz-faz geriliminin 208 Vrms veya 294 V tepe

deerinde olduunu gstermektedir. Yukardaki teorik deerler ile simlasyon sonular

uyumludur. Simlasyon sonular, empedans kaynakl inverter topolojisini dorulamaktadr.

ekil 4.15 Yakt pili geriliminin dk olmas durumunda (M=0.642) elde edilen deneyselsonular


54/96

43

Uygulama devresi iin, ekil 4.13teki gibi bir prototip oluturulmu ve simlasyondaki

parametrelerin ayns kullanlmtr. ekil 4.15 ve 4.16da deneysel sonular gsterilmektedir.

ekil 4.14den de grlecei zere, yakt pili gerilimi dtnde, arzu edilen k gerilimine

ykseltmek iin ksa devre konumu kullanlmtr.

Prototip devrenin altrlmas sonucunda elde edilen dalga ekillerinin, simlasyon

sonucunda elde edilen dalga ekilleri ile uyumlu olduu grlmtr.

Eer yakt pili gerilimi, istenen k gerilimi deerine ulaabilecek kadar yksek ise, ekil

4.16dan da grlebilecei zere ksa devre konumu kullanlmamaktadr. Bu durumda ksa

devre konumu kullanlmayan klasik PWM kontrol kullanlmaktadr. Ksa devre konumu

bal iletim sresi T0/Tnin kontrol edilmesiyle, yakt pili modl geriliminden bamsz

olarak , istenen k gerilimi elde edilebilir.

ekil 4.16 Yakt pili geriliminin yksek olmas durumunda (M=1) elde edilen deneyselsonular


55/96

44

5. EMPEDANS KAYNAKLI NVERTER VE DER NVERTER

TOPOLOJLERNN KARILATIRILMASI

Yakt pilleri, kullanm alannn genilii asndan gerek evsel uygulamalar gerekse tanabilir

uygulamalar iin g elektronii bilim dalnn ilgi alanna girmektedir. Bataryalardan farklolarak yakt pili, kta eitli akm kademelerinde sabit gerilim vermez. Aadaki yakt

piline ait akm-gerilim karakteristiinden de grlebilecei zere, yakt pili gerilimi geni bir

aralkta deiim gstermektedir.

ekil 5.1 Yakt pili polarizasyon erisi

ekil 5.1den de grlebilecei zere, yakt pilinden ekilen akm arttka, yakt pili k

gerilimi azalmaktadr. Bu durum, yksek sabit g-hz oranna ulalmas gereken, yksek hz

ve yksek g uygulamalarnda byk bir zorluk yaratmaktadr. Buna ek olarak byk

kapasiteli bir inverter kullanm da gerekli olmaktadr.

Halen yakt pili beslemeli evsel uygulamalar iin ska kullanlmakta olan iki devre yaps

mevcuttur. Bunlardan klasik g elektronii uygulamalarnda da yaygn olarak kullanlan ilki,

DC-DC ykseltici dntrcl 3 fazl geleneksel PWM inverterdir. Yakt pili modlnn

geni gerilim aral ve snrl gerilim seviyesi, klasik PWM inverter topolojisinin kullanmn

gletirmektedir. DC-DC ykseltici dntrcl PWM inverter ise gerilim streslerini ve

snrlandrmalar azaltmakla birlikte, iki katl bir g evrim yapsna sahip olmasndan dolayyksek maliyetli ve karmak bir devre yaps olarak deerlendirilmektedir.


56/96


57/96

46

ekil 5.2 Yakt pili beslemeli evsel uygulamalar iin kullanlan inverter topolojileri

Gerekli tanmlamalar aadaki gibi zetlenebilir:

Toplam Ortalama SDP= (SDP)av = averageiN

i

iIV _1

=

ve


58/96

47

Toplam Tepe SDP= (SDP)pk=peaki

N

i

iIV _1

=

Burada N, anahtarlama elemanlarnn saysn ve Vi de elemanlar zerinde endklenen

gerilimi gstermektedir.

Deiik inverterlere ait anahtarlama eleman glerini elde edebilmek iin birtakm

parametrelerin tanmlanmas gereklidir. Po, maksimum k gc; Vmax, yakt pili modlne

ait maksimum k gerilimi; cos, motorun maksimum g deerinde alt durumdaki

g faktr;Vi, yakt pili modlnn maksimum g deerinde sahip olduu k gerilimi;

M, modlasyon indeksi, Vdc de ykseltici DC-DC dntrcye ait k gerilimi olup,

Vmaxa eit veya ondan daha byk bir deerdedir. Bu karlatrmada, giriteki D1 diyotu gz

nnde bulundurulmamtr. nk ayn g deerindeki diyot ve anahtarlarn maliyet

bakmndan karlatrlmalar olduka zordur.

5.2.1.1 Geleneksel PWM nverter

Geleneksel PWM inverterler iin , k faz RMS geriliminin tepe gcndeki deeri,

MV

V ip22

= (5.1)

eklinde yazlabilir. Motor, cos g faktr ile alrken ka ait akmn RMS deeri,

p

o

pV

PI

cos3= (5.2)

dir. Bir hat evriminde hat akm iki adet anahtar tarafndan paylald iin , her bir

anahtardan geen ortalama akm,

MV

P

MV

PI

i

o

i

o

av cos3

4

2

22

)22/(cos3== (5.3)

eklinde yazlabilir. Anahtarlar zerindeki maksimum gerilim stresleri, k gc sfr

olduunda meydana gelir ve yakt pili modl gerilimi de en yksek deerine ular. Bu

durumda,

Vs=Vmax (5.4)

dr. Devreye ait toplam anahtarlama eleman gc,


59/96

48

(SDP)av=MV

PVIV

i

o

avscos

86 max= (5.5)

eklinde yazlabilir.

Anahtarlardan geen en yksek akm, hat tepe akm olup,

MV

PII

i

o

ppkcos3

42 == (5.6)

eklinde yazlabilir. Geleneksel invertere ait toplam anahtarlama eleman gc ise,

(SDP)pk=MV

PVIV

i

o

pkscos

86 max= (5.7)

eklinde yazlabilir.

5.2.1.2 DC-DC Ykseltici Dntrcl PWM nverter

DC-DC dntrcde anahtarlama blou olarak grev yapan bir anahtar ve diyottan oluan

hcrenin zerindeki maksimum gerilim VDC olup, maksimum gte zerinde tad ortalama

akm da,

i

o

avsV

PI = (5.8)

olarak ifade edilir.

DC-DC dntrcye ait ortalama anahtarlama eleman gc,

DC

i

o

DCavV

V

PSDP =)( (5.9)

eklinde yazlabilir. Eer endktans zerindeki akmn sabit olduu varsaylrsa, anahtarn

zerindeki akm, ortalama akm ile ayn deerdedir. Tepe anahtarlama eleman gc ise

aadaki eitlikte verilmitir.

Dc

i

o

DCpkV

V

PSDP =)( (5.10)

nverter anahtarlarna ait gerilim stresleri VDCdir. M modlasyon indeksinde faz geriliminin

RMS deeri,


60/96

49

22

MVV DCP = (5.11)

eklinde yazlabilir. Hat akmnn RMS deeri ise,

cos3 P

o

PV

PI = (5.12)

dir. Maksimum g artlar altnda anahtarlama elemanlar zerindeki ortala akm ise,

MV

PII

DC

op

avinv cos3

42== (5.13)

dir. Sistemin ortalama anahtarlama eleman gc ise,

DC

i

oo

DCavinvDCavV

V

P

M

PSDPIVSDP +=+=

cos

8)(6)( (5.14)

eklinde elde edilir. nvertere ait anahtar akmnn tepe deeri ise,

MV

PII

DC

o

Ppkinvcos3

42 == (5.15)

olarak yazlabilir.

Sisteme ait anahtarlama eleman gcnn tepe deeri ise,

DC

i

oo

DCpkpkinvDCpk VV

P

M

PSDPIVSDP +=+=

cos

8)(6)( (5.16)

eklinde elde edilir.

5.2.1.3 Empedans Kaynakl nverter

Empedans kaynakl inverterde, inverter anahtarlama elemanlar zerindeki akm deeri iki

bileenden oluur. Bunlardan ilki yk akm, bir dieri ise ksa devre alma durumunda

zerlerinden geen akmdr. nverterin simetrik yapsndan dolay, ksa devre alma

durumunda akm paralel kola ortalama eit olarak dalr. Ksa devre alma durumunda

inverterden geen akm, endktans akmnn iki katdr. Bu nedenle, ksa devre periyodunda

her bir anahtar zerindeki ortalama akm deeri,


61/96

yakit pilleri icin empedans kaynakli inverter tasarimve uygulamasi tez

Documents