Embed Size (px)
Citation preview
II
T.C.
KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ
Mühendislik Fakültesi
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü
Fotovoltaik Sistem Deney Seti
228453 Ayhan BAŞARAN
243418 Mustafa Emre EREN
228423 Mehdin ÇAPAN
Prof. Dr. İsmail H. ALTAŞ
Mayıs, 2014
Trabzon
I
T.C.
KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ
Mühendislik Fakültesi
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü
Fotovoltaik Sistem Deney Seti
228453 Ayhan BAŞARAN
243418 Mustafa Emre EREN
228423 Mehdin ÇAPAN
Prof. Dr. İsmail H. ALTAŞ
Mayıs, 2014
Trabzon
Bu proje Trabzon Teknik ve Endüstri Meslek Lisesi, Denizcilik Anadolu Meslek Lisesi
tarafından desteklenmiştir.
II
LİSANS BİTİRME PROJESİ ONAY FORMU
Mehdin ÇAPAN, M. Emre EREN ve Ayhan BAŞARAN tarafından Prof. Dr.
İ.Hakkı ALTAŞ yönetiminde hazırlanan “Fotovoltaik Sistem Deney Seti”
başlıklı lisans bitirme projesi tarafımızdan incelenmiş, kapsamı ve niteliği
açısından bir Lisans Bitirme Projesi olarak kabul edilmiştir.
Danışman : Prof. Dr. İ.Hakkı ALTAŞ ………………………………
Jüri Üyesi 1 : ………………………………
Jüri Üyesi 2 : ………………………………
Bölüm
Başkanı
: Prof. Dr. İ.Hakkı ALTAŞ ………………………………
III
ÖNSÖZ
Bu bitirme tezinin ilk taslaklarının hazırlanmasından tezin son halini almasına dek yol
gösterici olan kıymetli hocamız Sayın Prof. Dr. İ. Hakkı ALTAŞ ‘a şükranlarımızı sunarız.
Ayrıca bu çalışmayı destekleyen Karadeniz Teknik Üniversitesi Rektörlüğü’ne,
Mühendislik Fakültesi Dekanlığına, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölüm
Başkanlığına, Trabzon Teknik ve Endüstri Meslek Lisesi, Denizcilik Anadolu Meslek
Lisesi Müdürlüğüne ve Suat ÇELİK ‘e içten teşekkürlerimizi sunarız.
Her şeyden öte, eğitimimiz süresince bize her konuda tam destek veren ailelerimize ve tüm
hocalarımmıza saygı ve sevgilerimizi sunarız.
Mayıs, 2014
228453 Ayhan BAŞARAN
228423 Mehdin ÇAPAN
243418 M. Emre EREN
IV
İÇİNDEKİLER
Sayfa No
TASARIM PROJESİ ONAY FORMU .................................................................................. . II
ÖNSÖZ ..................................................................................................................................... III
İÇİNDEKİLER ......................................................................................................................... IV
ÖZET ........................................................................................................................................ VI
1. Giriş ....................................................................................................................................... 1
1.2. Çalışma Takvimi ............................................................................................................... 3
2. Teorik Alt Yapı ...................................................................................................................... 5
2.1. Fotovoltaik Panel
2.1.1. Fotovoltaik Panelde Elektrik Oluşumu......................................................................... 9
2.1.2 Panel Yapısı ................................................................................................................. 10
2.1.3 Deney Setinde Kullanılan Fotovoltaik Panel............................................................... 12
2.2. Şarj Kontrol Cihazı
2.2.1. Genel Yapısı .............................................................................................................. 13
2.2.1.1. Pwm Şarj Kontrol Cihazı ....................................................................................... 13
2.2.1.2. Mppt Şarj Kontrol Cihazı ...................................................................................... 14
2.2.2 Deney Setinde Kullanılacak Şarj Kontrol Cihazı ........................................................ 14
2.3. Akü
2.3.1 Genel Yapısı ................................................................................................................ 15
2.3.2 Deney Setinde Kullanılacak Akü ................................................................................ 16
2.4. Evirici
2.4.1 Genel Yapısı ................................................................................................................ 17
2.4.1.1. Bir Fazlı Eviriciler ................................................................................................... 17
2.4.1.2.Üç Fazlı Eviriciler .................................................................................................... 17
2.4.1.3. Çok Seviyeli Evirici ................................................................................................ 18
2.4.1.4. Ada Modu Evirici .................................................................................................... 18
2.4.1.5. Şebeke Etkileşimli Çalışan Eviriciler ...................................................................... 18
2.4.2 Deney Setinde Kullanılan Evirici ................................................................................ 18
2.5. Çevirici ........................................................................................................................... 19
2.5.1 Deney Setinde Kullanılan Çevirici ............................................................................. 19
2.6. Bara ve İzolasyon Trafosu ............................................................................................... 19
2.7. AA Yük ve DA Yük ........................................................................................................ 20
2.8. Ölçüm ve Koruma Cihazları ............................................................................................ 21
2.9. Mali Analiz ...................................................................................................................... 21
3. Tasarım ve Matlab Modelleme
3.1. Matemetiksel Modelleme .............................................................................................. 23
3.2. Matlab Modelleme ......................................................................................................... 25
4. Deneyler ve Deneysel Sonuçlar
4.1. Deney Setinin Çalışma Şekli ......................................................................................... 28
4.2. Deneyler ........................................................................................................................ 28
4.3. Sonuçlar
4.3.1. Fotovoltaik Panelin Şarj Kontrol Cihazı Çıkış Gerilimi .......................................... 29
4.3.2. Rüzgâr Tribünü Şarj Kontrol Cihazı Çıkış Gerilimi ................................................ 30
4.3.3. DA Bara Çıkış Gerilimi ............................................................................................ 30
4.3.4. DA/AA Evirici Çıkış Gerilimi .................................................................................. 31
4.3.5. Trafo Çıkış Gerilimi ................................................................................................. 32
4.3.6. AA/DA Çevirici Çıkış Gerilimi ................................................................................ 32
V
4.4. Matlab Simulink Modelleme ve Sonuçlar
4.4.1. Matlab Simulink Modelleme .................................................................................... 33
4.4.2.Matlab Simulink Sonuçlar
4.4.2.1.Trafolu ve Trafosuz Çıkış Gerilimleri .................................................................. 34
4.4.2.2. DA Bara ve DA Doğrultucunun Çıkış Gerilimi .................................................. 34
4.4.2.3. Rüzgâr Tribünün Çıkışındaki AA Gerilim ve Doğrultulmuş DA Gerilim .......... 35
4.4.2.4 Fotovoltaik Panelin Akım ve Gerilim Değerleri .................................................. 36
5. DEĞERLENDİRME ............................................................................................................ 37
KAYNAKÇA ........................................................................................................................... 38
EKLER ..................................................................................................................................... 41
EK-1. IEEE Etik Kuralları ....................................................................................................... 41
EK-2. DİSİPLİNLER ARASI ÇALIŞMA .............................................................................. 44
EK-3. STANDARTLAR VE KISITLAR FORMU ................................................................. 47
EK 4. YENİLENEBİLİR ENERJİ FÖYÜ ............................................................................... 50
EK 5. PANEL MASASI TEKNİK ÇİZİM .............................................................................. 65
VI
ÖZET
Fotovoltaik güneş sistemlerinden enerji üretimi, gittikçe yaygınlaşan ve gelecek yıllarda
adını daha çok duyacağımız yenilenebilir enerji sistemlerinin başında gelmektedir.
Fotovoltaik sistemlerin geliştirilmesiyle yeni iş sahaları ortaya çıkmaktadır. Tasarım
projemiz, fotovoltaik sistem deney seti ile yenilenebilir enerji alanında donanımlı bireyler
yetiştirmeyi hedeflemektedir.
Yapılan bu çalışmada, sistemi oluşturan ekipmanların iç yapısına fazla girilmeden, bu
ekipmanların setimizde kullanım yerleri ile görevlerinin neler olduğu ve hibrit sistemin
değişken yükler altında deney seti elemanlarının çalışma karakteristikleri üzerine bir deney
düzeneği oluşturulmuştur. Bu düzenek, Matlab Simulink ortamında modellenmiştir.
Modellemeden elde edilen sonuçlar, ortam şartlarının hibrit sistem üzerindeki etkisini
açıklamıştır. Bu hibrit çalışma güneş ve rüzgar enerjilerinin birleşimi olup, rüzgar enerjisi
ile ilgili çalışmayı başka bir grup yapmıştır.
Trabzon Teknik ve Endüstri Meslek Lisesi, Denizcilik Anadolu Meslek Lisesi
tarafından desteklenen bu hibrit deney seti, adı geçen lisede açılacak olan Yenilenebilir
Enerji Bölümü öğrencileri için tasarlanmıştır.
Anahtar Kelimeler: Fotovoltaik (FV) deney seti, Güneş enerjisi deneyleri
1
1. GİRİŞ
21. yy’ da teknolojinin gelişmesi ve yaşam standartlarının yükselmesi ile enerji
tüketimine olan ihtiyaç artmıştır. Bu gereksinimi karşılamak için uygulanan geleneksel
enerji üretim yöntemleri olan fosil yakıtları, gözle görülür boyutta çevremize olumsuz
etkiler meydana getirmektedir [1].
Geçen yüzyılın son beş yılındaki istatistiğe bakıldığında enerji üretiminin neredeyse
%90’ ını fosil yakıtları oluşturmaktaydı. Bu süre zarfında görüldü ki fosil yakıtlarından
enerji üretimi sırasında, etrafımıza yayılan CO2, SO2, NO, toz ve benzerleri, içinde
bulunduğumuz evreni ve canlıların sağlığını olumsuz etkilerken, diğer yandan da sera
gazları etkisiyle küresel ısınmaya yol açmaktadır. Fosil yakıtlarından enerji üretmenin
olumsuz etkileri ve tükenebilir kaynağa sahip olması alternatif enerji arayışının
başlamasına zemin hazırlamıştır [2-3].
Fosil yakıtlarıyla enerji üretiminden dolayı içinde bulunduğumuz çevrenin olumsuz
etkilenmesi sonucunda, ülkelerin sahip oldukları imkanlara göre rüzgar, güneş, biokütle ve
jeotermalden enerji üretimi araştırmaları başlamıştır. Bunlardan güneş enerjisi;
‘‘enerjisinin bağımsızlığına’’; bu bağımsızlığın da ‘‘sürdürülebilirlik, çevre koruma,
enerjide arz güvenirliği’’ gibi önemli konuları içinde bulundurmaktadır [4].
Bağımsızlık ilkesi gibi önemli bir konu ortaya çıkınca, güneş enerjisi pahalı olmasına
rağmen bu sektöre yatırımlar arttı. Bu yatırımlar da güneş enerjisinin fiyatını her on yılda
%50 oranında düşürdü (örneğin; ABD’de 1979’da 5MW, 2006’da 2000MW’a kadar
üretim artarken; fiyatıda 32 ABD dolarından 3 ABD dolarına düşmüştür [5]). Ayrıca ABD,
Japonya ve Almanya gibi büyük devletler teşvik yasası çıkartmışlar ve 2000 yılında toplam
üretim 300MW iken 2005’te 1500MW, 2007’de 3000MW gibi büyük rakamlara
ulaşılmıştır [5].
Türkiye de; güneş kuşağında bulunup güneşlenme potansiyeli oldukça yüksek bir
ülkedir [6-7]. Yıllık ortalama güneşlenme süresi 2640 saat/yıl, günlük ise 7.2 saat/gün gibi
yüksek bir rakama denk gelmektedir. Bu potansiyel de bulutluluk, bağıl nem, minimum –
maksimum sıcaklık gibi güneşten enerji üretmede olumsuz etkilere bağlı olarak [8-9]
yaklaşık 1311 kwh/m2 güneş ışınımı gerçekleşmektedir [7]. Bu potansiyel 36 bin ton
2
kömürden enerji üretmek ile aynı verime sahiptir [10]. Bu veriler ışığında yenilenebilir
enerji kaynakları, Türkiye’de gelir yönünde büyük katkılar sağlayacaktır [11].
FV panelin uçlarında, güneşten gelen fotonlar ile gerilim endüklenir. Böylece, yüke
doğru akım akmaya başlar. Sistemin panelden sonraki bölümü, sistemin kullanılacağı yere
göre değişiklik gösterir. Şebekeye bağımlı sistemlerde akü grubu ve şarj kontrol cihazı
olmazken, şebekeden bağımsız sistemlerde geceleride sistemin beslenebilmesi için akü ve
şarj kontrol cihazı bulundurulur.
Bu projede ise gelişen ve gittikçe yaygınlaşan güneş enerjisinden elektrik üretiminin
nasıl geçekleştirileceğini, sistem tasarımını yaparken nelere dikkat edileceğini, panellerin
kurulumu esnasında nelere dikkat edileceğini bilen, ileride bu konuyu önceden görüp,
anlayan bireylerin yetişmesi için bir güneş enerjisi deney seti yapılacaktır.
3
1.1. ÇALIŞMA TAKVİMİ
Bu proje oluşturulurken çizelge 1’ deki planlama takip edilmiştir.
Çizelge 1. Çalışma takvimi
YAPILMASI
PLANLANAN
İŞ PLANI
EYLÜL EKİM KASIM ARALIK OCAK ŞUBAT MART NİSAN MAYIS
1. İş Paketi
2. İş Paketi
3. İş Paketi
4. İş Paketi
5. İş Paketi
6. İş Paketi
7. İş Paketi
8. İş Paketi
9. İş Paketi
10. İş Paketi
11. İş Paketi
12. İş Paketi
13. İş Paketi
14. İş Paketi
15. İş Paketi
16. İş Paketi
Yapılacak olan iş paketlerinin ayrıntılı açıklanması:
1. İş Paketi: Proje konusunun belirlenmesi ve ne yapılacağına karar verilmesi
2. İş Paketi: Litaratür çalışması
4
3. İş Paketi: Deney seti yöntemi hakkında bilgi toplanması ve genel şemanın çizilmesi
4. İş Paketi: Deney setinde kullanılacak ekipmanlar hakkında bilgi toplanması
5. İş Paketi: Kullanılacak ekipmanların tesbiti ve fiyat araştırması
6. İş Paketi: Deney uygulamaları hakkında bilgi toplanması
7. İş Paketi: Simülasyon çalışmalarının yapılması
8. İş Paketi: Tasarım raporu yazılması ve teslimi
9. İş Paketi: Raporun destek alınacak bir proje önerisi gibi sunulması
10. İş Paketi: Gerekli malzeme ve teçhizatın temini
11. İş Paketi: Deney setinin gerçekleştirilmesi
12. İş Paketi: Deney föylerinin hazırlanması
13. İş Paketi: Deney setinin test edilmesi ve daha önce hazırlanan deneylerin testi
14. İş Paketi: Test edilen deney setinin ve deneylerin değerlendirilip yorumlanması
15. İş kısmı: Bitirme kitabının yazılması
16. İş kısmı: Projenin teslimi ve savunması
5
2. TEORİK ALT YAPI
Bu projede hedeflenen; güneş enerjisinin elektrik enerjisine dönüşüm aşamalarını
anlamak, elektrik enerjisinin güneşten alınan ısı ve ışık enerjisiyle nasıl değişkenlik
gösterdiğini kavramak, gelişen teknoloji ve insanların enerjiye olan ihtiyaçlarından dolayı
son zamanlarda önemi artan yenilenebilir enerji kaynaklarından faydalanma yollarının
daha iyi bir şekilde anlaşılabilmesi ve her biri küçük de olsa kurulduğu yerden şebekeye
yük akışında bulunan fotovoltaik güneş panellerinin insan hayatındaki önemini
kavramaktır.
Tasarlanan bu güneş paneli deney seti, fotovoltaik güneş panelleri ile enerji
üretilmesinin yanında, üretilen enerji ile deney yapma imkanı sunmaktadır. Bu şekilde aynı
deney ortamında elektrik enerjisinin üretimi, AA ve DA gerilim de çalışan yüklerin
incelenmesi ve gün içerisinde değişkenlik gösteren güneş ışın miktarıyla orantılı olarak
değişen FV panelin çıkış gücünü incelemektir. Bu deney setindeki ekipmanlar IEEE 929-
2000 standartına uygun olan olarak hazırlanmıştır.
Bu deney setinde güneş ve rüzgar enerjisi şekil 1’de görüldüğü gibi hibrit bir sistem
oluşturmaktadır. Bu çalışmada güneş panelinden elektrik üretimi incelenecektir. Şekil 2’de
ayrıntılı çiziminde görüldüğü üzere DA barasından itibaren ki kısımlar her iki grupta ortak
olup, rüzgar türbininden elektrik üretimi rüzgar grubu tarafından yapılacaktır. Güneş
panelinden elektrik üretimi ayrıntılı gösterimi şekil 3’de gösterilmiştir.
6
Şekil 1. Deney seti genel şeması
KTÜ LİSANS BİTİRME PROJESİ
FOTOVOLTAİK SİSTEM DENEY SETİ TAM MODELİ
22.05.2014 228453 Ayhan BAŞARAN
ŞEKİL NO:1 228423 Mehdin ÇAPAN 243418 M. Emre EREN
7
Şekil 2. Deney seti ayrıntılı çizimi
KTÜ LİSANS BİTİRME PROJESİ
FOTOVOLTAİK SİSTEM DENEY SETİ TAM MODELİ
22.05.2014 228453 Ayhan BAŞARAN
ŞEKİL NO:1 228423 Mehdin ÇAPAN
243418 M. Emre EREN
8
Şekil 3. Güneş panelinden elektrik üretimi ayrıntılı gösterim KTÜ LİSANS BİTİRME PROJESİ
FOTOVOLTAİK SİSTEM DENEY SETİ TAM MODELİ
22.05.2014 228453 Ayhan BAŞARAN
ŞEKİL NO:3 228423 Mehdin ÇAPAN
243418 M. Emre EREN
9
Deney setinde kullanılan ekipman listesi;
1. Fotovoltaik panel
2. Şarj kontrol cihazı
3. Akü
4. Evirici
5. Çevirici
6. Bara ve izolasyon trafosu
7. AA yük ve DA yük
8. Ölçüm ve koruma cihazları
2.1. Fotovoltaik Panel
2.1.1. Fotovoltaik Panelde Elektrik Oluşumu
Bulunduğumuz zaman içinde kullanılan güneş panellerinin yapısı tristör, diyot ve
transistör gibi yarı-iletken maddelerden yapılmaktadır. Güneş paneli yapımında yarı-
iletken madde olarak galyum arsenit, kadmidyum tellür ve günümüzde en çok tercih edilen
silisyum kullanılmaktadır.
Genel olarak incelersek, yarı-iletkenlerde fotovoltaik dönüşümü gerçekleştirebilmek
için eklem bölgesine foton (güneş ışını) düşürmek gereklidir. Yarı-iletkenlerin eklem
bölgesine foton düşürüldüğü zaman yarı-iletkenin içinde elektron-hol çifti oluşur. Oluşan
elektron-hol çifti ortamda oluşan manyetik alanının etkisi ile birbirinden ayrılırlar. Bu
şekilde ışık yarı iletkenlerde elektrik enerjisine dönüştürülmüş olur [12].
Güneş pillerinde ise bu olayın oluştuğu bölge 3’e ayrılır;
1. iletken bandı,
2. yasak enerji bandı,
3. valans bandı.
Bunlardan iletken ve valans bandı enerji bandıdır. Gelen fotonun enerjisi, yasak enerji
bandına eşit yada büyük ise valans bandından bir elektron kopartarak foton kendi enerjisini
harcar [13]. Böylece koparılan elekrotonun iletkenlik bandına ulaşması sağlanır ve
elektron-hol çifti oluşur. Bu çift, p-n eklem bölgesindeki elektrik alanın etkisi ile
birbirinden ayrılır, yani elektronları n bölgesine, holleri de p bölgesine iten bir pompa gibi
çalışır. Böylece güneş pillerinin uçları arasında güç akışı meyda gelir. Bu olaya fotovoltaik
olay denir.
10
Güneş pilini diğer yarı-iletkenlerden ayıran en önemli özelliği de içinde pompa etkisi
oluşturan manyetik alanın meydana gelmesidir. Yani diğer yarı-iletkenlerde fotonun
gelmesi ile elektronlar p-n bölgesinde ayrılır fakat manyetik alan olmadığı için fotonun
etkisi geçtiği an tekrar birleşirler [12].
2.1.2. Panel Yapısı
Fotovoltaik paneller ışık enrejisini; hareketli parçaya ihtiyaç duymadan, yakıt
maddesinin tükenme sıkıntısı olmadan ve atık maddesi oluşturmadan doğrudan doğruya
elektrik enerjisine çevirir.
Fotovoltaik panel çıkış voltajı yaklaşık 0,5 V değerine sahip hücrelerden oluşur. Bu
hücreler istenilen çıkış voltajına ulaşmak için seri veya paralel bağlanarak ‘’solar
modülleri’’ oluştururlar. Solar modüller seri veya paralel bağlanarak ‘’paneli’’ oluştururlar,
panellerde birleşerek ‘’solar diziyi’’ oluştururlar [12]. Fotovoltaik paneller farklı türlerde
üretilmektedir [14-15]. Bunlar;
1. Yarı geçirgen,
2. Hibrid (PVT),
3. Opak olmak üzere üç çeşittir.
Yarı geçirgen paneller adındanda anlaşılacağı üzere; hem ışığı arkasına geçirebilen, hem
de elektrik üretebilen panllerdir. Bu tip panellerde aydınlatma ve elektirik enerjisi üretimi
aynı anda sağlanmaktadır [16].
Hibrid panelinin yapısı, aşağıda ayrıntılı bir şekilde anlatılan opak modelle neredeyse
aynı olup sadece içerisinde oluşan ısıyı dışarıya vererek o ısıdan yararlanabilme olanağı
sağlamaktadır. Opak panellerin yapısını en üsten alta doğru inceleyecek olursak [17];
1. Cam,
2. Eva (ethylene vinyl acetate),
3. Göze dizisi,
4. Fiber cam (eva),
5. Arka örtü (tedlar) oluşur.
Opak panelin yapısını oluşturan kısımlar, bir çerçevenin içine monte edilerek dış
etkilerden korunması sağlanır. Göze dizisi, opak panellerde, panelin gelişmesine etkisi olan
en önemli kısımdır. Göze dizisi farklı meteryallerden oluşur. Bunlar [18];
11
1. Kristal silisyum,
2. Galyum Arsenit (GaAs),
3. İnce film(CdTe – A-Si),
4. Odaklamalı fotovoltaik (OPV),
5. Yeni gelişen FV hücreler ( boya duyarlaştırıcılı vb.) teknolojileridir.
GaAs’nin verimi %39,3 gibi yüksek rakama sahiptir. Özel laborutuarlarda üretimi
gerçekleştirilip, uzay araçlarında daha çok kullanılır [19]. Üretim maliyeti çok yüksektir.
Kristal silisyum ve ince film (CdTe), GaAs’e göre verimliliği ile maliyeti daha
optimumdur. İnce film teknolojisi, yeni gelişen çok az bir üretim maliyetine sahip olan
panellerdir. Fakat verimliliği şuan için çok azdır. Bunun için daha az tercih edilirler.
Kristal silisyum verimlilik – maliyet ilişkisinde en optimum olan panel çeşididir. Bu
panel, güneş enerjisi pazarının %90’ına sahiptir. Kristal silisyum paneler, yaklaşık 20-25
yılına kadar verimi %80’nin altına düşmüyeceği garantisi verilmektedir. -40 ile +85 0C de
sorunsuzca çalışabilmektedirler. Verimlilikleri %12 - %17 arasındadır [20]. Kristal
silisyumda üç çeşittir [16];
1. Tek–kristal silisyum (c–Si),
2. Çoklu–kristal silisyum (mc–Si).
Tek–kristal silisyum (c–Si), çoklu–kristal silisyum (mc–Si), ince film teknolojisi (CdTe
– A-Si)’nin 1kW enerji için kapladıkları alan şekil 4’de gösterilmiştir [18].
Şekil 4. 1 kW’lık üretimde panellerin kapladığı alan
12
2.1.3. Deney Setinde Kullanılan Fotovoltaik Panel
Enerji kaynağı olarak bir adet 130 W gücündeki fotovoltaik panel tercih edilmiştir.
Sistem deney seti olduğundan fotovoltaik panelin besleyeceği yük sabittir ve yüke göre
panel seçimi yapılmıştır. 130 W’dan daha yüksek güçte fotovoltaik panel seçilmesi
durumunda panelin, panele bağlı olan şarj kontrol cihazının ve DA/AA eviricinin güçleri
ve fiyatları artacaktır.
Deney setinde kullanılan panel olan Sr-p636130’un kataloğundaki değişken ışınım
şiddetine göre gerilim ve akım değerleri çizelge 2’de gösterilmiştir.
Çizelge 2. Değişen güneş ışınım değerine göre panelin gerilim ve akım değerleri
Güneş Işınımı 1000 W/m2 800 W/m
2 600 W/m
2 400 W/m
2 200 W/m
2 100 W/m
2
Vmpp 18,00 17,91 17,73 17,28 16,7 16,18
Impp 7,23 5,78 4,23 1,41 1,39 0,67
Güneş ışınımın değeri çok düşük bile olsa fotovoltaik panel gerilimi, şarj kontrol
cihazına gereken değer olan 12 V’un altına düşmediğinden bir adet kullanılmıştır.
Bu deney setinde kullanılan FV panel EN 61215 ve EN61730 standartlarına uygundur.
FV panel parametrelerin belirlenirken aranacak koşullar [18];
1. ‘’Verimlilik’’,
2. ‘’Son hasat (kWh / kWanma )’’,
3. ‘’Kararlılık’’,
4. ‘’Ömür (Ekonomik ve teknik)’’,
5. ‘’Maliyet’’.
Fotovoltaik panelin taşınabilmesi için ve daha performasyonlu çalışması için istenildiği
zaman çıkartılabilir masa tasarlanmıştır. Sistemimiz deney seti olduğu için istenildiği
zaman enerji üretebilmesi için panel 60cm üzerine, 250W’lık halojen lambalar
yerleştirilmiştir. Kayıpları azaltmak için lambaların arkasına alüminyum föyle ile sarılarak
parlak bir yüzey oluşturulmaya çalışılmıştır. Ek 5’te teknik çizimi verilen panelin eğim
açısı yaklaşık 20o’dir.
Yukarıdaki maddeler dikkate alınarak alınan panelin özellikleri çizelge 3’ de verilmiştir.
13
Çizelge 3. Kullanılan fotovoltaik panelin özellikleri
Markası Sunrise
Model numarası SR-p636130
Yarı iletken çeşidi Çok-kristal silisyum
Gücü 130 W
Max güçteki çıkış gerilimi 18,00 V (Q = 1000 w/m2)
Max güçteki çıkış akımı 7,23 A (Q = 1000 w/m2)
Açık devre gerilimi 22,32 V
Kısa devre akımı 7.8 A
Modülün verimi %13.2
Max güç toleransı ±3%
Nominal çalışma sıcaklığı 450C±2
Max sistem gerilimi 1000 V
Boyutları 1481 x 666 x 35 mm
Ağırlığı 11,8 kg
2.2. Şarj Kontrol Cihazı
2.2.1. Genel Yapısı
Şarj kontrol cihazı, fotovoltaik panelde üretilen gün içerisinde değişkenlik gösteren
gerilim değerini düzenleyerek akünün kontrollü şarj edilmesini sağlar. Şarj kontrol cihazı,
güneşten alınan enerjiyi, akünün şarj durumunu ve yük durumlarını karşılaştırarak sistem
için uygun olan çalışma şeklini belirler. Böylece akünün aşırı şarj ve deşarj olması
engellenerek akünün uzun ömürlü olması sağlanır. Aküden beslenen yüke sabit akım ve
gerilim verilerek, yükün değişken akım ve gerilim değerleriyle zarar görmesi engellenir.
Ayrıca DA voltaj çıkışına sahip olan şarj kontrol cihazı, doğru akımla çalışan cihazlara
doğrudan regüle edilmiş gerilim verilir.
Şarj kontrol cihazı seçiminde fotovoltaik panelden üretilen maksimum akıma
dayanabilecek nitelikte olmasına ve kullanılacak olan akü gerilim değeri ile uygun
olmasına dikkat edilir. Kurulacak sisteme, büyüklüğüne göre, 12V/24V/48V ve
10A/20A/40A/60A özelliğinde bulunan Şarj kontrol cihazlarından uygun olanı seçilir [21].
Şarj kontrol cihazı iki grupta incelenmektedir.
2.2.1.1. PWM Şarj Kontrol Cihazı: Darbe genişlik modülasyonu ile aküyü şarj eden
bu kontrol cihazı ile akü ömrü uzatılmış olunur. MPPT’ ye göre daha basit yapılı ve verimi
14
düşüktür. Buna karşın daha ucuzdur. Şarj kontrol cihazının üzerinde bulunan LCD ekran
ve LED’ler sayesinde akünün şarj durumu hakkında görsel bilgi vermektedir.
2.2.1.2. MPPT Şarj Kontrol Cihazı: Belirli zaman aralıklarında, fotovoltaik
panellerde üretilen gücün tepe değerini takip ederek kontrollü bir şekilde yüke enerji
akışını sağlar. Burada amaç elde edilen enerjiden en üst seviyede yararlanmaktır. MPPT
şarj kontrol cihazına sahip olan sistemlerde, fotovoltaik panelden %20-30 fazla enerji elde
edilirken [22], MPPT şarj kontrol cihazı %98’ lere varan verimle çalışmaktadırlar [23].
MPPT şarj kontrol cihazı sistemin düzenli bir şekilde çalışmasını sağlayan ve arıza
anında sistemi kapatan bir mikrodenetleyiciye sahiptir. Bu mikrodenetleyici ile herhangi
bir hata/arıza anında sistemin koruması yapılmış olunur. Ayrıca aküyü özelliğine paralel
olarak kontrollü şarj ettiği için akü ömürlerini %50 uzatmaktadır.
2.2.2. Deney Setinde Kullanılan Şarj Kontrol Cihazı
Bu uygulamada, çizelge 4’de özellikleri verilen, yüksek verimle çalışan PWM şarj
kontrol cihazlarından Steca marka PR 1010 tipi şarj kontrol cihazı kullanılmıştır. Bu
kontrol cihazının ters kutuplanmaya, kısa devreye, aşırı akım, aşırı gerilim ve aşırı
sıcaklığa karşı koruması bulunmaktadır. Fotoğraf 1’ de görülen bu şarj kontrol cihazı EN
62109-1 ve EN 62509 standartlarına uygundur. Sistemimiz 130W güç üreten ve 12V
nominal gerilim değerine sahip olduğundan dolayı 12V 10A değerlerine sahip şarj kontrol
cihazı seçilmiştir.
Fotoğraf 1. Deney setinde kullanılan şarj kontrol cihazı
15
Çizelge 4. Kullanılan şarj kontrol cihazının özellikleri
Model PR 1010
Nominal Sistem Voltajı 12V (DC) / 24V (DC)
Anma Pil Akımı 10 A
Maksimum Pil Gerilimi 47 V
Çalışma sıcaklığı -10 / +50
Boyut 187 x 96 x 44 mm
Terminal 16 mm2 / 25 mm
2
Ağırlık 0.35 kg
2.3. Akü
2.3.1. Genel Yapısı
Aküler, elektrik enerjisini kimyasal enerjiye çevirerek depolayan, ihtiyaç anında
depoladığı kimyasal enerjiyi tekrar elektrik enerjisine çeviren elektro-kimyasal yapılardır.
Fotovoltaik sistemlerde şebekeye bağlı ve şebekeden bağımsız olmak üzere iki tip
bağlantı çeşidi vardır. Şebekeye bağlı olmayan fotovoltaik sistemlerde, güneşten alınan
enerjinin bulut veya mevsimsel farklılıktan dolayı yetersiz olması ya da yükün gece
boyunca enerjiye ihtiyaç duymasından dolayı, gün içerisinde üretilen fazla enerjinin
depolandığı akülerin bulundurulması gerekmektedir.
Derin deşarjlı kurşun-asit aküler fiyat performans oranının uygun olması ve çevresel
geri dönüşüm açısından en optimum sonuçlar vermesi sebebiyle fotovoltaik sistemlerde
yaygın olarak kullanılmaktadır [24]. Kullanılan akülerin ömürlerini uzun tutmak için
akünün kapasitesi %50’ nin altına indiği zaman şarj edilmelidir [25]. Ayrıca kapasitelerinin
%70’den fazlasını kullanmak, kısa bir zamanda akünün yapısında bozulmalara sebep
olmaktadır [26].
Fotovoltaik sistemlerde kullanılan kurşun asit aküler OPzS, VRLA Jel ve VRLA AGM
olmak üzere üç tiptirler. Bunlardan hangisinin kullanılacağı belirlenirken aküye bakım
yapılma sıklığı, çalıştığı ortamın alt ve üst sıcaklık değerleri, yük profili, kullanım ömrü ve
maliyet gibi etmenler göz önüne alınır.
OPzS tipi aküler sürekli takip ve bakım istemeleri, akünün çalıştığı yerin iyi bir
havalandırma sistemine sahip olması zorunluluğu gibi sebeplerden dolayı fotovoltaik
sistemlerde çok tercih edilmezler.
16
VRLA tipi aküler (VRLA AGM ve VRLA Jel) derin deşarja uygun olarak
tasarlanmaları, birim hacimlerini sulu akülere oranla daha az yer kaplaması ve tam
bakımsız olmaları ile fotovoltaik sistemlerde yaygın olarak kullanılmaktadır.
VRLA akü tiplerinden VRLA AGM aküler, yüksek çevrim sayısına sahip olması
istenilen yerlerde ve kısa sürede yüksek akım çeken yüklerde kullanışlıdırlar.
VRLA Jel aküler ise hızlı şarj ya da yüksek akım çekildiği anda jel yapısının bozulması
gibi olumsuz özelliğinin yanında, kullanıldığı ortam sıcaklığının yüksek olması ömürlerini
fazla etkilememesi ve akülerde meydana gelen plaka sülfatlaşmasına karşı dayanıklığının
yüksek oluşu bu akü tipinin yaygın olarak tercih edilmesinin sağlamaktadır [26].
Aküler seri bağlanarak istenilen gerilim seviyesi, paralel bağlanarak istenilen akım
seviyesi elde edilir. Fotovoltaik sistemlerde akülerle enerji depolamanın 1 MW’ ın üstünde
fazla uygulaması yoktur. Kalifornia-Chino’da ki 40 MWh’lık sistem bu alanda
gösterilebilecek en büyük uygulamalardan biridir [27].
2.3.2. Deney Setinde Kullanılan Akü
Bu çalışmada hibrit sistemin toplam gücü yaklaşık olarak 260 W’tır. Bu enerjiden yükte
harcanmayan kısmı, çizelge 5’ de özellikleri verilen fotoğraf 2’ te ki 12/24 V 150 Ah’lik
bir adet VRLA jel aküye depo edilecektir. Bu akü EN 50272-1 standardına uygundur.
Akülerde depo edilen enerjinin %70’ inden fazlasını kullanmak aküye zarar vereceği göz
önünde bulundurularak;
sistemdeki akünün kapasitesi ,
sistemde ki kullanılabilir akü kapasitesi olarak hesaplanır.
Fotoğraf 2. Deney setinde kullanılan akü
17
Çizelge 5. Kullanılacak akünün özellikleri
Model EG12150
Akü Ömrü 12 Yıl veya > 750 Cycles %50 D.O.D
Kapasite (25 oC)
20 HR
7.6 A, 1.75 V
10 HR
15 A, 1.75 V
5 HR
25 A, 1.75 V
1 HR
94 A, 1.75 V
152 Ah 150 Ah 125 Ah 94 Ah
Sıcaklık-Kapasite
Değişimi
40 oC 25
oC 0
oC -15
oC
%102 %100 %85 %65
Şarj Voltaj (25 oC)
Döngülü Kullanım Beklemeli Kullanım
14.4-15V (-30mV/oC),
maks.akım: 37.5 A 13.6-13.8V (-20mV/
oC)
Boyut 483 x 172 x 241 mm
Ağırlık 45 kg
2.4. Evirici
2.4.1. Genel Yapısı
Eviriciler DA bir kaynaktan AA bir yüke yada bir şebekeye yük aktarımında bulunan
devrelerdir. Güneş enerjisinden elektrik enerjisi üretilmesi sonucu DA gerilim elde edilir.
Elde edilen enerjinin şebekeye paralel bağlanması veya AA bir yükte harcanması için
eviricilere ihtiyaç vardır [28].
2.4.1.1. Bir Fazlı Eviriciler
Bir fazlı eviriciler kaynaktan alınan DA gerilimi bir fazlı AA gerilime çeviren
düzeneklerdir.
1. Yarım dalga köprüler
2. Tam dalga köprüler
2.4.1.2.Üç Fazlı Eviriciler
Üç fazlı eviriciler kaynaktan alınan DA gerilimi aralarında 120° faz farkıyla üç fazlı 50
Hz AA gerilime çeviren düzeneklerdir.
Yenilenebilir enerji kaynaklarının şebekeye paralel bağlanabilmesi ve verimli bir
çalışma gösterebilmesi için üç fazlı eviricilere ihtiyaç vardır.
18
2.4.1.3. Çok Seviyeli Evirici
Güç elektroniği devrelerinde geniş bir kullanım alanına sahip olan eviricilerdir. Yüksek
gücün yanında düşük harmonik distorsiyonu sağlayan çok seviyeli eviricilerdir.
1. Diyot – kenetli eviriciler
2. Kondansatörlü eviriciler
3. Kaskad eviriciler
2.4.1.4. Ada Modu Evirici
Ada modu eviriciler şebekeden bağımsız olarak çalışan sistemlerdir. Fotovoltaik
panelden alınan DA gerilim ada modu eviriciler yardımıyla AA gerilime evirilerek AA
yüklerin kullanımına sunulur. Bu tür sistemlerde üretilen enerjinin fazlasını akülerde depo
etmek içim büyük kapasiteli akü gruplarına ihtiyaç vardır, buda maliyetin artmasına sebep
olur [29].
2.4.1.5. Şebeke Etkileşimli Çalışan Eviriciler:
Şebeke etkileşimli eviricilerde fotovoltaik panellerde üretilen DA gerilim hem şebekeye
aktarılacak AA gerilime çevrilir, hemde AA gerilimle beslenen yüklerin çalışmasına güç
akışında bulunur. Şebeke etkileşimli eviricilerde üretilen enerjinin fazlası şebekeye
aktarıldığından dolayı daha az akü grubuna ihtiyaç duyulur buda maliyeti ada modu
eviricilere göre azaltır.
2.4.2. Deney Setinde Kullanılan Evirici
Bu projede Linetech marka, A301-150 model evirici kullanılmıştır. Fotoğraf 3’te resmi
görülen eviriciyi seçmemizdeki amaç hem daha düşük maliyetli olması hem de
sistemimizin güç ve gerilim değerlerine uygun aralıkta olmasıdır. Bu evirici EN-50530 ve
EN-62116 standartlarına uygun olup ayrıntılı özellikleri çizelge 6’ te verilmiştir.
Fotoğraf 3. Deney setinde kullanılan evirici
19
Çizelge 6. Kullanılacak eviricinin özellikleri
Model LİNETECH A301-150
Max çıkış gücü 150-300Watt
DA giriş gerilim 12-24V
AA çıkış gerilimi 230V
AA frekans aralığı 50Hz ± 1
Toplam harmonik distirsiyonu THD<3%
Çalışma sıcaklık aralığı -25 / -60°C
Ağırlık 0.8 kg
Kararlı dönüşüm verimliliği %78-82
Çıkış dalga şekli Modifiye sinüs dalga
2.5. Çevirici
Çeviriciler alternatif akımı doğru akıma çeviren aygıtlardır. Farklı açılardan
sınıflandırılan çeviriciler, faz sayısı açısından sınıflandırılırsa;
a. Tek fazlı çeviriciler
b. Çok fazlı çeviriciler
2.5.1 Deney Setinde Kullanılan Çevirici
Bu projede Omron marka S8JX-G tipi çevirici kullanılmıştır. Çizelge 7’ da ayrıntılı
özellikleri verilmiştir.
Çizelge 7. Kullanılacak çeviricinin özellikleri
Model S8JX - G60024C
Maksimum çıkış gücü 600 W
Doğru akım çıkış gerilimi 24 V
Alternatif akım giriş gerilimi 230 V
Çalışma sıcaklık aralığı -25 / 75 °C
Ağırlık 1,6 kg
2.6. Bara ve İzolasyon Trafosu
Bara; birden fazla aynı gerilim değerlerinin toplandığı ve yüklere dağıtıldığı iletkendir.
Fotoğraf 4’ te görülen baralardan sistemimizde iki adet bulunmaktadır. Bunlar; DA ve AA
baraları olmak üzere yerleştirilmiştir. DA barasına, rüzgâr enerjisinden, güneş enerjisinden
ve aküden enerji gelmektedir; gelen enerji direk DA/AA eviriciye iletilmektedir. AA
20
barasına; eviricinin doğru akımdan alternatif akıma çevirdiği akım girmektedir; sonrasında
AA yüklere, AA/DA çeviriciye iletilmektir.
Fotoğraf 4. Deney setinde kullanılan bara
Baramıza giren ve çıkan her kola kesicinin modellemesi için, ihtiyaca göre daha rahat
bir çalışma ortamı ve can güvenliği için sigortalar konulmuştur.
Sistemde 650 W’lık birebir izolasyon trafosu kullanılmıştır. Fotoğraf 5’te görülen
trafoyu kullanış amacımız, bir güç elektroniği devresi elemanı olan eviricinin oluşturduğu
harmoniği azaltmak ve daha net bir sinüs dalga şekli elde etmektir.
Fotoğraf 5. Deney setinde kullanılan izolasyon trafo
2.7. AA Yük ve DA Yük
Deney setimizde yük olarak üç adet 14W 230V AA’da çalışan fan ve 30W, 60W
gücünde hem DA hem de AA’da çalışan ampuller kullanılmıştır. Bu yükleri seçmemizdeki
amaç; yüklerin enerji harcaması anında gözle görülebilen değişiklikler göstermesidir.
21
2.8. Ölçüm ve Koruma Cihazları
Sitemimizde bulunan ölçüm cihazları; DA ampermetre, DA voltmetre, AA voltmetre,
multimetre ve osiloskoptan oluşmaktadır.
Türkçe ismi salınımölçer olan osiloskop, gerilim veya akım değerlerinin genliğinde ki
zamansal değişimi grafik şeklinde gösteren ölçü aracıdır. Osiloskobun ekranında ki
grafiklerden, ölçülen sinyalin, genliği, frekansı ve periyodu belirlenir .
Tasarlanan bu deney setinde AA TECH marka, ADS-1022B model osiloskop
kullanılmıştır.
Sistemimizin koruması sigortalar ve topraklamadan oluşmaktadır. Sigortalar DA ve AA
baralarına giren her girişe ve çıkışa konulmuştur. Sistemimizde 5 adet sigorta
bulunmaktadır. Bunlar üzerinden geçecek maksimum akıma göre sigorta tipi belirlenmiştir.
Topraklama ise bütün sistemimizin toprak ucu bir noktada toplanıp, prizin toprak noktasına
bağlantı yapılıp binanın topraklaması kullanılmıştır.
2.9. Mali Analiz
Yapılan yenilenebilir enerji deney setinin malzemeleri Trabzon Teknik ve Endüstri
Meslek Lisesi, Denizcilik Anadolu Meslek Lisesi tarafından temin edilmiştir. Tamamlanan
bu projenin toplam maliyeti 4410 ₺ olup ayrıntılı malzeme fiyatları çizelge 8’ de
verilmiştir .
Çizelge 8. Projenin toplam maliyeti
Kullanılan Malzeme
Adı
Adet Adet Fiyatı
(₺)
Toplam
(₺)
Panel 1 385 385
Şarj Kontrol Cihazı 2 350 700
Akü 1 935 935
Sigorta Kutusu 1 15 15
Sigorta 5 5 25
Ölçü Aletleri 3 50 150
Osiloskop 1 600 600
Kablo ve prob - - 50
Evirici 1 100 100
Çevirici 1 250 250
Trafo 1 100 100
Yükler(Fan,Ampül) - - 100
Generatör 1 250 250
22
Çizelge 8’in devamı. Projenin toplam maliyeti
Motor 1 150 150
Sürücü Devre 1 200 200
Doğrultucu 1 100 100
Kırtasiye - - 100
Diğer(Ahşap, demir) - - 200
Toplam 4410
23
3. TASARIM VE MATLAB MODELLEME
3.1. Matematiksel Modelleme
Matlab simulink ortamında panellin ve ortam şartlarını formülüze ederek gerçekleştirme
yapılmıştır. Sistemi oluştururken kullanılan ve elde edilen değerler, deney setinde
kullandığımız panelin kataloğundan alınmıştır.
Çevrenin panel üzerindeki ısı ve ışık etkisi olan bloktaki iç tasarımı aşağıdaki
formüllerden [30] elde edilerek şekil 5’te tasarlanmıştır.
[1]
[2]
[3]
⁄ [4]
[5]
[6]
[7]
Şekil 5. Isı ve ışınımın panele etkisinin Matlab Simulink model diyagramı
24
Panel kataloğundan, fotovoltaik hücre çalışma sıcaklığı Tc = 25 0C, fotovoltaik hücre
çalışma ışıması Sc = 1000 W/m2 olarak alınmıştır. Buradan bulunmuştur.
Sıcaklık katsayıları olan alınır. ise,
bulunur. 0,8 ise, bulunur.
Şekil 6’ de verilen fotovoltaik panel modeli şekil 7’de görüldüğü üzere Matlab Simulink
ortamına aktarılmıştır.
Fotovoltaik panel modeli olan blokta aşağıdaki formül 8 gerçeklenmiştir.
[
(
)] [8]
⁄
(
⁄ )
[
⁄
]
[9]
⁄ ⁄
⁄
[10]
Boltzman sabiti J/K, elektron yükü , panelin
kısa devre akımı A, formül 10’dan [31] diyot faktörü Df =1108,63 ise, formül
9’dan [31] Io = 0,053 A ve Rs =0,002 Ω ‘dur. Formül 8’den de eğri uydurma katsayısı
A =1557,034653 bulunmuştur.
Şekil 6. Fotovoltaik panel basitleştirilmiş eşdeğer devre
Şekil 7’deki sistemde, panelde sadece seri direnç değeri ele alınarak modellemesi
yapılmıştır.
25
Şekil 7. Panelin Matlab Simulink model diyagramı
3.2. Matlab Modelleme
Bir çok sistemin değişen ortam koşullarındaki karaktersiliklerini incelemek için bu tür
bilgisayar ortamında modelleme yöntemlerine başvurulur. Şekil 8’de ki model Matlab
Simulink ortamında hazırlanmış olup fotovoltaik panellerin karaktersitiği incelenmiştir.
Şekil 8. Fotovoltaik panel Matlab Simulink model diyagramı
Şekil 10’ da ki sistemde;
Ns: Seri panel sayısı
26
Np: Paralel panel sayısı
Tx: Ortam sıcaklığı
Sx: Oratamdaki güneş radyasyon seviyesi
Vpv_Sinyal: Tek panelin gerilim değerlerini
Ipv_Sinyal: Tek panelin akım değerlerini
Vpv: Sistemin çıkışıdır.
Vpv_sinyal ve Ipv_sinyal’den sistemde birden fazla panel varsa eğer, sadece bir tek
panellin akım – gerilim (I – V) karakteristiğini ölçmek için kullanılır. Vpv ise yükü
besleyen, modeldeki sistemin çıkışıdır.
Şekil 8 ‘da ki blok-1’in iç tasarımı ise şekil 9’ de gösterilmiştir.
Şekil 9. Fotovoltaik panel Matlab Simulink blok diyagramının iç tasarımı
Yukarıda şekil 9’teki sistemde;
Isc (Ipv): Fv panel kısa devre akımı
Tc: Bir panelin referans sıcaklığı
Sc: Bir panelin referans ışık şiddeti
Vcell: Bir panelin çıkış gerilimi
Icell: Bir panelin çıkış akımı
Vcell, tek bir panellin gerilim değerini verdikten sonra, Ns ile çarpılarak sistemin
toplam gerilim değeri elde edilmiş olur. Sitemin toplam gerilim değeri elde edildikten
sonra, buradan sistemin toplam akım değeri elde edilir ve tek bir panellin akım değerini
bulmak için Np ye bölünerek Ipv_sinyal’e gönderilir.
27
Şekil 9‘da ki fotovoltaik model iç tasarımı ise şekil 10’te gösterilmiştir.
Şekil 10. Ortam koşullarının panel akım ve gerilimine etkisi
Yukarıda şekil 10’deki sistemde;
Cv: Ortam koşullarının panel gerilimine olan etkisi
Cı: Ortam koşullarının panel akımına olan etkisi
Ipv: Ortam şartlarından etkilenen fotoakım
Vc: Fv panellin ortam koşullarından etkilenmemiş gerilim değeri
Isc, fotoakımı çevrenin panel üzerindeki ısı ve ışık etkisi ile çarpılarak Iph elde edilir.
Iph Vc’yi oluşturan bloğa girer. Vc ise ortam şartları ile çarpılarak Vcell elde edilir.
28
4. DENEYLER VE DENEYSEL SONUÇLAR
4.1. Deney Setinin Çalışma Şekli
Gerçeklemesi bitirilen yenilenebilir enerji deney setinde enerji kaynağı olarak
fotovoltaik panel, rüzgâr tribünü ve akü kullanılmıştır. Şarj kontrol cihazı, yükün
ihtiyacından fazla enerjiyle aküyü şarj; yükün çektiği enerji fv panel ve rüzgâr tribünün
ürettiğinden fazla ise, akünün deşarj olmasını sağlamaktadır. Fotovoltaik panelden ve
rüzgâr tribüni çıkışında doğrultulan DA enerji, şarj kontrol cihazından gerilimi sabit 12V
olarak DA baraya aktarılmaktadır. Evirici, DA baradan aldığı enerjiyi, alternatif akıma
evirip izolasyon trafo üzerinden AA baraya aktarmaktadır. Sistemde AA yükler ve DA
yükler bulunmaktadır. DA yükler, DA barasından doğrudan değil, AA/DA çeviriciden
beslenmektedir. AA yükler ise AA baradan doğrudan beslenmektedir.
4.2. Deneyler
Deneylerin amacı, kullanılan cihazların sisteme etkilerini, kullanış amaçlarını ve
çalışma şekillerini osiloskop sonuçlarıyla destekleyip açıklamaktır. Şekil 11’de gösterildiği
üzere, fotovoltaik panelin şarj kontrol cihaz çıkış gerilimini osiloskobu 1 nolu, rüzgâr
tribününün şarj kontrol cihaz çıkış gerilimini osiloskobu 2 nolu, DA bara çıkış gerilimini
osiloskobu 3 nolu, DA/AA evirici çıkış gerilimini osiloskobu 4 nolu, trafo çıkış gerilimini
osiloskobu 5 nolu, AA/DA çevirici çıkış gerilimini osiloskobu 6 nolu gösterime osiloskobu
ayrı ayrı bağlayarak sonuçlar elde edilmiştir.
29
Şekil 11. Deney seti bağlantı şeması
4.3. Sonuçlar
4.3.1. Fotovoltaik Panelin Şarj Kontrol Cihazı Çıkış Gerilimi
Osiloskobu şekil 11’ de gösterilen 1 nolu bağlantı noktasına bağlayarak fotovoltaik
panelin şarj kontrol cihaz çıkış gerilim yaklaşık 12V (DA) olarak ölçülmüş. Şekil 12’de
görüldüğü gibi dalgalı bir DA gerilim elde edilmiştir. Bu dalgalanmanın sebebi panelin
bulunduğu ortam şartlarının (sıcaklık, ışık miktarı) sabit kalmamasıdır.
Şekil 12. Fotovoltaik panelin şarj kontrol cihaz çıkış gerilimi
30
4.3.2. Rüzgâr Tribünü Şarj Kontrol Cihazı Çıkış Gerilimi
Rüzgâr tribünü şarj kontrol cihazı çıkış gerilimini şekil 11’ de gösterilen 2 nolu
bağlantıya osiloskobu bağlayarak şekil 13’de görüldüğü üzere yaklaşık 12V (DA) elde
edilmiştir.
Şekil 13. Rüzgâr tribünü şarj kontrol cihazı çıkış gerilimi
4.3.3. DA Bara Çıkış Gerilimi
DA barada, rüzgar tribün çıkışında ki çeviriciden ve fotovoltaik panelden gelen 12V
(DA) gerilim şekil 11’ de gösterilen 3 nolu bağlantıya osiloskobu bağlayarak şekil 14’ de
görüldüğü üzere harmonikli 12V (DA) gerilimi elde edilmiştir. Kullanılan şarj kontrol
cihazının devresinde kullanılan süzgecin yetersiz olmasından dolayı, baraya aktardığı DA
gerilimi harmoniklidir.
Şekil 14. DA bara çıkış gerilimi
31
4.3.4. DA/AA Evirici Çıkış Gerilimi
DA/AA evirici çıkışından, DA baradan gelen DA gerilimini AA’ya evirdikten sonra
şekil 11’ de gösterilen 4 nolu bağlantıya osiloskobu bağlayarak şekil 15’ te görüldüğü
üzere yaklaşık 220V (AA) gerilim elde edilmiştir. Bu gerilim aynı zamanda izolasyon
trafonun giriş gerilim şeklini oluşturmaktadır.
Şekil 15. DA/AA evirici çıkış gerilimi
Şekil 15’ deki 220V AA geriliminin daha yakından gösterimiyle harmonikler şekil 16’
da görüldüğü üzere daha net saptanmaktadır. Kullanılan evirici modifiye sinüs dalga
özellikli olduğundan dolayı tam sinüs dalga şeklinde evirememiştir.
Şekil 16. DA/AA evirici çıkış gerilimi 2
32
4.3.5. Trafo Çıkış Gerilimi
İzolasyon trafosu, DA/AA eviriciden gelen harmonikli 220V (AA) gerilimi, genliğini
değiştirmeden şekil 15’de ki harmonikleri süzerek, 220V (AA) gerilim şekil 11’ de
gösterilen 5 nolu bağlantıya osiloskobu bağlayarak şekil 17 elde edilmiştir.
Şekil 17. Trafo çıkış gerilimi
İzolasyon trafodaki, şekil 17’ de 220V AA geriliminin daha yakından gösterimiyle
harmoniklerin temizlenmiş olduğu şekil 18 ‘de daha net saptanmaktadır.
Şekil 18. Trafo çıkış gerilimi
33
4.3.6. AA/DA Çevirici Çıkış Gerilimi
İzolatör trafo tarafından harmonikleri azaltılan AA gerilim şekil 11’ de gösterilen 6 nolu
bağlantıya osiloskobun bağlantısı yapıldıktan sonra, AA/DA çeviriciden şekil 19’da
görüldüğü üzere net 24V (DA) olarak ölçülmüştür. DA yükler, DA baradan değil de,
çevirici çıkışından beslememizin sebebi; çeviricinin çıkışından şekil 19’da görüldüğü gibi
sabit ve az harmonikli bir gerilim elde edilmesidir.
Şekil 19. AA/DA Çevirici Çıkış Gerilimi
4.4. Matlab Simulink Modelleme ve Sonuçlar
4.4.1. Matlab Simulink Modelleme
Fv panel ve rüzgâr generatörü sistemlerinin Matlab Simulink modellemeleri bir araya
getirilerek, deney setinin modellemesi şekil 20’de görüldüğü gibi gerçeklenmiştir.
Şekil 20. Hibrit sistem matlab simulink model
34
4.4.2.Matlab Simulink Sonuçlar
4.4.2.1.Trafolu ve Trafosuz Çıkış Gerilimleri
Matlab Simulink ortamında yenilenebilir enerji deney setinin simülasyonu
gerçekleştirilmiştir. Deney setinde bulunan izolasyon trafosunun etkisi simülasyon
ortamında görülmüştür. Buna göre trafodan önceki AA gerilimi harmoniklerinin fazla
olduğu ve trafodan sonra meyda gelen AA gerilimin daha az harmonikli olduğu ve sinüs
dalgasına benzediği tespit edilmiştir. Şekil 21’de de simülasyon ortamında, trafolu ve
trafosuz AA gerilimi görülmektedir.
Şekil 21. Üstte trafosuz, altta trafolu çıkış gerilimi
4.4.2.2. DA Bara ve DA Doğrultucunun Çıkış Gerilimi
Matlab Simulink ortamında yenilenebilir enerji deney setinin simülasyonu
gerçekleştirildi. Deney setinde kullanılan doğrultucu çıkışındaki DA gerilimler simülasyon
ortamında incelendi. Şekil 22’de DA gerilimler görünmektedir.
DA bara çıkışındaki DA gerilimin düzgün bir DA gerilim olmadığı görülmektedir.
Ayrıca doğrulrucu çıkışından elde edilen DA gerilim şekilde de görüldüğü gibi, DA bara
çıkışından elde edilen DA geriliminden daha düzgündür.
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-40
-20
0
20
40
Zaman (t)
Gerilim
(V
)
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-1
-0.5
0
0.5
1
Zaman (t)
Gerilim
(V
)
35
Şekil 22. DA bara ve DA doğrultucunun çıkış gerilimi
4.4.2.3. Rüzgâr Tribünün Çıkışındaki AA Gerilim ve Doğrultulmuş DA Gerilim
Matlab Simulink ortamında yenilenebilir enerji deney setinin simülasyonu
gerçekleştirildi. Rüzgar tribünün çıkışından elde edilen AA gerilim ve bu AA gerilimin
doğrultulması ile elde edilen DA gerilim simülasyon ortamında incelendi. Rüzgar tribünün
çıkışından elde edilen AA gerilim şekil 23’te görüldüğü üzere düzgün bir sinüs dalgası
değildir. Ayrıca bu sinüs dalgasının doğrultulması ile elde edilen DA gerilim şekil 23’te
görülmektedir.
Şekil 23. Rüzgâr tribünün çıkışındaki AA gerilim (üstte) ve doğrultulmuş DA gerilim
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10
20
40
60
Zaman (t)
Gerilim
(V
)
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-10
-5
0
5x 10
-20
Zaman (t)
Gerilim
(V
)
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-50
0
50
Zaman (sn.)
Gerilim
(V
)
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10
20
40
60
Zaman (sn.)
Gerilim
(V
)
36
4.4.2.4 Fotovoltaik Panelin Akım ve Gerilim Değerleri
130 W’lık fotovoltaik panelin açık devre gerilimi 22,32V, kısa devre akımı 7,8A’ dir.
Bu değerler göz önüne alınarak Matlab Simulink ortamında panel modellemesi yapılarak
gerçek değerlere çok yakın olan şekil 24’de ki akım – gerilim karakteristiği elde edilmiştir.
Şekil 24. Fotovoltaik panelin akım ve gerilim değerleri
13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 230
1
2
3
4
5
6
7
Gerilim (V)
Akım
(I)
37
5. DEĞERLENDİRME
Bu çalışma ile fotovoltaik panelden indüklenen gerilimin yükte harcanması ve yük
durumuna göre DA veya AA gerilim formatlarına dönüştürülmesi için gerekli devre
elemanlarının kullanılarak oluşturulmuş bir deney setidir. Güneşten elektrik enerjisi elde
edilmenin yanında rüzgârdan da enerji elde edilerek yenilenebilir enerji alanında farklı
enerji dönüştürücüleri ile hibrit bir sistem elde edilmiştir.
Bu hibrit çalışmamızda indüklenen gerilimler şarj kontrol cihazı sayesinde 12V’a
sabitlenerek DA barasında toplanıyor. DA barasından sonra evirici yardımıyla 220V 50 Hz
AA gerilime eviriliyor. Eviricinin çıkışından alınan gerilimdeki harmonikleri azaltmak için
bire birlik yalıtım trafo kullanılmıştır. Trafodan sonra gerilim AA barasında toplanarak AA
yüklerini baradan besliyoruz. DA yüklerini beslemek için çevirici kullanılarak gerilimi
AA’dan DA’ a çeviriyoruz.
Trabzon Teknik ve Endüstri Meslek Lisesi, Denizcilik Anadolu Meslek Lisesi
tarafından desteklenen bu hibrit çalışmamız; bu lisedeki öğrencilerin yenilenebilir enerji
alanındaki bilgi ve becerilerini artırmak, yenilenebilir enerji alanında çalışma yapma
olanağı bulmak adına yapılmış bir deney seti projesidir. Bu deney seti sayesinde
öğrencilerin yenilenebilir enerji elde etmek için kullanılacak devre elemanlarını tanıması,
bağlantı şekilerini yapması ve bu elemanların çalışma şekillerini öğrenmesi amaçlanmıştır.
Bu proje sayesinde öğrencilerin yenilenebilir enerji kaynaklarına ilgi duymaları ve bu
konuda çalışma yapmaları hedeflenmiştir.
38
KAYNAKLAR
[1] C.P. Jacovides, F.S. Tymvios, V.D. Assimakopulous ve N.A. Kaltsounides,
‘‘Comparative Study of Various Correlations in Estimating Hourly Diffuse Fraction
of Global Solar Radiation,’’ Renewable Energy, vol. 31, pp. 2492-2504, December,
2006.
[2] A. Bayram, ‘‘Yenilenebilir Bir Enerji Kaynağı Olarak Pirina: Üretimi, Özellikleri,
Değerlendirilmesi,’’ Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu, s.106-112,
İzmir, 2001 .
[3] T.S. Uyar, ‘‘Enerji Sorunu Nedir? Alternatif Enerji Çözüm müdür?,’’ NEU-CEE
2001 Electrical, Electronic and Computer Engineering Symposium, pp. 23-26,
Lefkoşa TRNC, 2001.
[4] D. S. Polatkan, “Güneş Elektriği Sistemlerinde Türkiye İçin Öncelikler”, Solar
Future Bildiriler Kitabı, s.56-59, İstanbul, 11-12 Şubat, 2010.
[5] Pernick, R. and C. Wilder, ‘‘The Next Big Growth And Investment Opportunity,’’
The Clean Tech Revolution, New York, 2007.
[6] A. Sözen, E. Arcaklıoğlu, ‘‘Solar potential in Turkey.Aplied Energy,’’ Applied
Energy, vol.80, pp.35-45, January 2005.
[7] B. YELMEN, O. G. YELMEN, “Akdeniz Bölgesi İçin Yatay Düzleme Gelen Aylık
Ortalama Tüm Güneş Işınımının Tespiti,” Solar Future Bildiriler Kitabı, s.15-23,
İstanbul, 11-12 Şubat, 2010.
[8] O.P. Singh, S.K Srivastava, A. Gaur, “Empirical Relationshipto Estimate Global
Radiation From Hours Of Sunshine”, EnergyConversion and Management, vol.37,
pp. 501-504, 4 April, 1996.
[9] A.A. Trabea, M.A. Shaltout, “Correlation of Global Solarradiation with
Meteorological Parameters over Egypt,” Renewable Energy, vol.21, pp. 297-308,
2000.
[10] B. Yağcıtekin, S. Tuna, B. Kılıç, “Sürdülebilir Taşımacılıkta Güneş Enerjili
Arabalar,” Solar Future Bildiriler Kitabı, s. 31-36, İstanbul, Şubat, 2010.
[11] N. Öztürel, R. Zilan ve A. Ecevit, ‘‘Türkiye ‘de YenilenebilirEnerji Kaynakları
İçin İzlenmesi Gereken Strateji, Planlama Politikaları ve Bunların Sosyal ve Siyasi
Etkileri,’’ YenilenebilirEnerji Kaynakları Sempozyumu, s.28-32, İzmir, 2001.
[12] S. Restemli, F. Dinçadam, M. Demirbaş, ‘‘Güneş Pileri ile Sıcak Su Elde Etme ve
Sokak Aydınlatması,’’ V. Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu,s.42-49,
Diyarbakır, 2009.
[13] B. Reisli, F. Kaloğlu, S. Solmaz, “Solar Cell and Solar Textiles Techonology,”
Solar Future Bildiriler Kitabı, s.43-49, İstanbul, Şubat, 2010.
[14] M. A. Green, K. Emery, Y. Hishikawa, W. Warta, E. D. Dunlop, “Solar Cell
Efficiency Tables,” Progress in Photovoltaics: Research and Applications, vol. 20,
pp. 12-20, Jaunary 2012.
39
[15] M. Öztürk, N. Özek, H. Batur, M. Koç, ‘‘Fotovoltaik (Pv) Sistemlerin Ve
Fotovoltaik Termal (Pv-T) Kolektörlerin Termodinamik Değerlendirmesi,’’
Engineer & the Machinery Magazine, pp.50-62, August 2011.
[16] G. ÇELEBİ, ‘‘Bina Düşey Kabuğunda Fotovoltaik Panellerin Kullanım İlkeleri,’’
Gazi Üniversitesi Müh-Mim Fakültesi Dergisi, c. 17, s.17-33, 2002.
[17] C. Kaypmaz, M. Tırıs, T. Yıldırım, L. Gülbahar, “Pv Üretim Teknikleri – Temel
Bileşenler,” Solar Future Bildiriler Kitabı, s.50-54, İstanbul, Şubat, 2010.
[18] İzmir İli yenilenebilir enerji sektör analizi, İzmir İl Özel İdaresi, 2012.
[19] R. R. King, R. A. Sherif, D. C. Law, J. T. Yen, M. Haddad, C. M. Fetzer, K. M.
Edmondson, G. S. Kinsey, H. Yoon, M. Joshi, S. Mesropian, H. L. Cotal, D. D.
Krut, J. H. Ermer, and N. H. Karam Spectrolab, ‘‘New Horizons In Iii-V
Multifunction Terrestrial Concentrator Cell Research,’’ 21. European Photovoltaic
Solar Energy Conference and Exhibition, Dresden, Germany, 4-8 September, 2006.
[20] Ö. F. Ertuğrul, M. B. Kurt, ‘‘Yenilenebilir Enerji Kaynakları Maliyet Analizi ve
Sürdürülebilir YEK Uygulamaları,’’ V. Yenilenebilir Enerji Kaynakları
Sempozyumu, s.37-41, Diyarbakır, 2009.
[21] T. Köroğlu, A. Teke, K. Bayındır, T. M. Çağatay, “Güneş Paneli Sistemlerinin
Tasarımı”, Elektrik Mühendisliği Dergisi, Sayı: 439, s. 98-104, Temmuz 2010.
[22] A. Bellini, S. Bifaretti, V. Iacovone, "MPPT Algorithm for Current Balancing of
Partially Shaded Photovoltaic Modules ," ISIE, Bari İTALYA, pp. 933 - 938 , 4-7
July 2010.
[23] N. İlhan, A. Ersöz, M. Çubukcu, "Hydepark a Standalone Renewable Hydrogen
Demonstration Park in Turkey", Solar Future Bildiriler Kitabı, s. 126–132,
İstanbul, 11–12 Şubat, 2010.
[24] (2014) Güneş Enerjisi Sanayicileri ve Endüstrisi Derneği web sitesi, [online].
Available: http://www.gensed.org/pdf/PV-ElektrikDepolama.pdf
[25] (2014) Güneş Sistemleri web sitesi, [online]. Available:
http://www.gunessistemleri.com/fotovoltaikekipman.php
[26] Yenilenebilir Enerji Teknolojileri Kontrol Sisteminin Kurulumu, M.E.B, Ankara,
2012.
[27] C. Kaypmaz, M. Tırıs, M. Mazman, E. Biçer, D. Uzun, “Yenilenebilir Enerji için
Elektrik Enerjisi Depolama Teknolojileri’’ Solar Future Bildiriler Kitabı, s. 113-
118, İstanbul, Şubat, 2010.
[28] İ. Çolak, E. Kabalcı, ‘‘Evirici Topolojileri ve Gelişimleri Üzerine Bir İnceleme",
Elektrik- Elektronik ve Bilgisayar Mühendisliği Sempozyumu, 26-30 Kasım 2008,
Bursa.
[29] I. Sefa, N. Altın, ‘‘Güneş Pili İle Beslenen Şebeke Etkileşimli Eviriciler- Genel Bir
Bakış,’’ Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, c.24, s.409-
424, 2009.
[30] I. H. Altas, and A.M. Sharaf ’’A Photovoltaic Array Simulation Model for
Matlab-Simulink GUI Environment’’, The international conferance on clean
electrical power , Capri, Italy, 2007
40
[31] J. A. Clarke, C. Johnstone and N Kelly, ‘‘The simulation of photovoltaic-
integrated building facades’’, Kanada, 2001
41
EKLER
EK-1. IEEE Etik Kuralları
IEEE Etik Kuralları
IEEE üyeleri olarak bizler bütün dünya üzerinde teknolojilerimizin hayat standartlarını
etkilemesindeki önemin farkındayız. Mesleğimize karşı şahsi sorumluluğumuzu kabul
ederek, hizmet ettiğimiz toplumlara ve üyelerine en yüksek etik ve mesleki davranışta
bulunmayı söz verdiğimizi ve aşağıdaki etik kuralları kabul ettiğimizi ifade ederiz.
1. Kamu güvenliği, sağlığı ve refahı ile uyumlu kararlar vermenin sorumluluğunu kabul
etmek ve kamu veya çevreyi tehdit edebilecek faktörleri derhal açıklamak;
2. Mümkün olabilecek çıkar çatışması, ister gerçekten var olması isterse sadece algı
olması, durumlarından kaçınmak. Çıkar çatışması olması durumunda, etkilenen taraflara
durumu bildirmek;
3. Mevcut verilere dayalı tahminlerde ve fikir beyan etmelerde gerçekçi ve dürüst olmak;
4. Her türlü rüşveti reddetmek;
5. Mütenasip uygulamalarını ve muhtemel sonuçlarını gözeterek teknoloji anlayışını
geliştirmek;
6. Teknik yeterliliklerimizi sürdürmek ve geliştirmek, yeterli eğitim veya tecrübe olması
veya işin zorluk sınırları ifade edilmesi durumunda ancak başkaları için teknolojik
sorumlulukları üstlenmek;
7. Teknik bir çalışma hakkında yansız bir eleştiri için uğraşmak, eleştiriyi kabul etmek ve
eleştiriyi yapmak; hatları kabul etmek ve düzeltmek; diğer katkı sunanların emeklerini
ifade etmek;
8. Bütün kişilere adilane davranmak; ırk, din, cinsiyet, yaş, milliyet, cinsi tercih, cinsiyet
kimliği, veya cinsiyet ifadesi üzerinden ayırımcılık yapma durumuna girişmemek;
9. Yanlış veya kötü amaçlı eylemler sonucu kimsenin yaralanması, mülklerinin zarar
görmesi, itibarlarının veya istihdamlarının zedelenmesi durumlarının oluşmasından
kaçınmak;
10. Meslektaşlara ve yardımcı personele mesleki gelişimlerinde yardımcı olmak ve onları
desteklemek.
42
IEEE Code of Ethics
We, the members of the IEEE, in recognition of the importance of our technologies in
affecting the quality of life throughout the world, and in accepting a personal obligation to
our profession, its members and the communities we serve, do hereby commit ourselves to
the highest ethical and professional conduct and agree:
1. to accept responsibility in making engineering decisions consistent with the safety,
health and welfare of the public, and to disclose promptly factors that might endanger
the public or the environment;
2. to avoid real or perceived conflicts of interest whenever possible, and to disclose them
to affected parties when they do exist;
3. to be honest and realistic in stating claims or estimates based on available data;
4. to reject bribery in all its forms;
5. to improve the understanding of technology, its appropriate application, and potential
consequences;
6. to maintain and improve our technical competence and to undertake technological tasks
for others only if qualified by training or experience, or after full disclosure of pertinent
limitations;
7. to seek, accept, and offer honest criticism of technical work, to acknowledge and
correct errors, and to credit properly the contributions of others;
8. to treat fairly all persons regardless of such factors as race, religion, gender, disability,
age, or national origin;
9. to avoid injuring others, their property, reputation, or employment by false or mlicious
action;
10. to assist colleagues and co‐workers in their professional development and to support
them in following this code of ethics.
Approved by the IEEE Board of Directors
August 1990
ieee‐ies.org/resources/media/about/history/ieee_codeofethics.pdf
43
Mühendisler İçin Etik Kuralları Code of Ethics for Engineers
Etik kuralları ile ilgili faydalı web adresleri
IEEE Code of Ethics
http://www.ieee.org/about/corporate/governance/p7‐8.html
NSPE Code of Ethics for Engineers
http://www.nspe.org/resources/ethics/code‐ethics
American Society of Civil Engineers, UC Berkeley Chapter
http://courses.cs.vt.edu/professionalism/WorldCodes/ASCE.html
Engineering Ethics BY DENISE NGUYEN
http://sites.tufts.edu/eeseniordesignhandbook/2013/engineering‐ethics‐2/
Code of Ethics of Professional Engineers Ontario
http://www.engineering.uottawa.ca/en/regulations
Bir kitap:
What Every Engineer Should Know about Ethics
Yazar: Kenneth K. Humphreys CRC Press
EMO – Elektrik Mühendisleri Odası
Etik Kütüphanesi
http://www.emo.org.tr/genel/bizden_detay.php?kod=50871&tipi=46&sube=0#.U1QfyVV_
tjs
44
EK-2. DİSİPLİNLER ARASI ÇALIŞMA
Fotovoltaik sistem deney seti projemiz Prof. Dr. İ.Hakkı ALTAŞ danışmanlığında
Trabzon Teknik ve Endüstri Meslek Lisesi Denizcilik Anadolu Meslek Lisesinde
danışmanımızın diğer bir grubu olan rüzgar grubuyla ortak yapılmış hibrit bir çalışmadır.
Yapımı tamamlanan bu tasarımımızda oldukça geniş bir kitle ile çalışma olanağı elde
edilmiş ve bunun sonucunda yeni fikir ve çalışma taktikleri öğrenilmesinin yanı sıra çeşitli
zorluklarla da karşılaşılmıştır. Çalışmalarımız esnasında rüzgar grubuyla oldukça başarılı
bir yol izlenmiş ve sistem çalışır duruma getirilmiştir. Şubat ayıyla yapımına başlanan
projemizde, çalışmalarımızı sürdürdüğümüz lisesinin öğretmenlerinden Suat ÇELİK Bey
ile birlikte projeyi gerçeklemeye başlanmıştır. Proje yapımı esnasında Suat Bey’in teknik
anlamda yeteneklerinden yararlanılmış, gerekli montaj, delme ve prob yerleştirme işlemleri
teknik çizimimize göre bizzat Suat Bey ile birlikte gerçekleştirilmiştir. Gerekli malzemenin
satın alınması ve değiştirilmesi durumunda Suat Bey ile irtibata geçilmiş ve gerekli
malzemeler temin edilmeye çalışılmıştır. Bununla birlikte tasarladığımız projede
kullanılmasını uygun gördüğümüz malzemelerin satın alınmaması, Trabzon şartlarında
bulunamaması, okul yönetimi tarafından istenen malzemelerin alınmaması ve daha
önceden alınmış malzemelerin kullanılması projemizde değişiklik yapmamıza sebep
olmuştur.
Projemiz yapım aşamasında satın alınmalar dışında gerekli malzemeler teknik lisede
tasarlanan projeye göre uygun, ilgili bölümler tarafından yapılmıştır. Marangoz Hüseyin
Bey tarafından çizime uygun ebatlarda sunta kesilmiş ve şekil verilmiştir. İstenilen
boyutlarda işlenmeye hazır sunta üzerine teknik çizimize göre prob uçları Suat Bey ile
birlikte yapılmıştır. Üzerine elemanlar yerleştirilmiş prob uçları açılmış suntanın
ayaklanması masa haline getirilmesi için gerekli demirler ve kaynak işleri, kaynak bölümü
sorumluları Celal ve Hüseyin Bey tarafında yapılmıştır. İstenilen ölçülerde ve dayanıklılık
sınırında yapılmaları yanı sıra masanın hareketini sağlayan ayakların istenildiği gibi
yapılmaması bunun yanında yanal yüzeylerdeki çıkıntıların kazalara sebebiyet vermesi gibi
sıkıntılarda olmuştur. Güneş panelinin oturtulması ve rahat bir şekilde taşınması için
istenilen demir masanın istenilen şekilde ve panelin maksimum verimle çalışması için
Trabzon için gerekli eğrilik açısı ölçüsünü de vermemize rağmen hatalı kesim ve kaynak
işi takım çalışmamızın performasını kötü yönde etkilemiştir. Bu aksaklıklara rağmen
projemiz tamamlanmış ve öğrencilerin kullanımına sunulmuştur. Bütün bunlara rağmen
45
öğrencileri yenilenebilir enerji konusunda bilgilendirmek, deney yapma imkânı sunmak
adına yapılmış bu projede başta danışmanımız olan Prof. Dr. İ.Hakkı ALTAŞ’a, Suat
ÇELİK’e Trabzon Teknik ve Endüstri Meslek Lisesi Denizcilik Anadolu Meslek Lisesi
yönetimine ve proje yapımında bizlere yardımcı olmuş herkese çok teşekkür ederiz.
46
22.05.2014
Fotoğraf E2.1. Disiplinler arası çalışma ekibi
47
EK-3. STANDARTLAR VE KISITLAR FORMU
1. Projenizin tasarım boyutu nedir? Açıklayınız.
Güneş enerjisinden daha temiz ve daha verimli elektrik enerjisi üretmenin yollarının
araştırıldığı ve enerji piyasasının gündemine oturmuş yenilenebilir enerji
kaynaklarından olan güneş enerjisinin üretim aşamalarını anlamak, üretilen enerjinin
DA ve AA yüklere güç akışını kavramak, güneş ışın ve ısı miktarıyla değişen
fotovoltaik panelin yük karakteristiği üzerinde yorum yapabilme kabiliyetini geliştirmek
için tasarlanmış bir deney seti düzeneğidir. Deney seti düzeneğimizde güneşten alınan
enerjinin fotovoltaik paneller yardımıyla elektrik enerjisine dönüştürülmesi ve DA
gerilim elde etmesi sonucu bu gerilimin akü ve şarj kontrol cihazı yardımıyla sabit 12V
DA gerilim elde edilmesi ve bara sistemi üzerinden DA yükleri beslemesi, DA/AA
evirici ile 12V/220V AA gerilime evirmek. AA gerilimle beslenen yüklere güç akışında
bulunması ve ihtiyaç fazlası enerjinin trafoda istenen değere alçaltılıp yükseltildikten
sonra şebekeye verilmesi ve bu aşamalar üzerinden hem enerji üretimi hem de
tüketimini aynı anda görüp deney yapma imkanı sunmaktadır.
2. Projenizde bir mühendislik problemini kendiniz formüle edip, çözdünüz mü?
Deney seti hazırlanırken yapılan literatör araştırmalarına göre liselerde, yüksek
okullarda ve üniversitelerde yapılan deneyler genellikle üretilen enerji üzerinden
yapılmaktadır. Enerjinin ortaya çıkış evreleri sabit genlik ve frekans evreleri üzerinde
pek durulmamaktadır. Biz bu tasarımımızda enerjinin üretimden son tüketiciye
ulaşıncaya kadar geçirmiş olduğu bütün evreleri aynı anda görme yorumlama ve
enerjinin üretim kısmına müdahale ederek deney yapma imkanı sunmaktayız. Bunun
yanında yenilenebilir enerji kaynaklarının enerji piyasasının en çok araştırma ve
geliştirme kısmında en üst sıralarda yerini aldığı çağda bu enerjinin elde edilme
aşamalarını daha iyi anlama, çıkış yüküne etki eden nedenleri anlayıp yorumlama,
fotovoltaik sistemler hakkında bilgi sahibi olmak ve yenilenebilir enerji kaynaklarına
ilgi çekmek, gibi amaçlar doğrultusunda yapılan deney setimiz mühendislik alanında
yukarıda saydığımız bir çok probleme çözüm niteliğinde.
3. Önceki derslerde edindiğiniz hangi bilgi ve becerileri kullandınız?
Sistemimizi tasarlarken yaptığımız literatür araştırmalarının yanında lisans
eğitiminden gördüğümüz ders ve laboratuar uygulamalarından yararlandık.
48
PV panelin yapısı, bağlantı şeması, bağlantı tipleri, akım – gerilim karakteristikleri
ışın miktarı sıcaklık değerlerinin panele etkisi için Design Of Low Voltage Power
Systems dersinden, evirici, şarj kontrol cihazı seçiminde Power Electronıc Circuits
dersinden, kullanılacak kablolar ve ara bağlantı malzemeleri için Meterials In Electrical
Engineering dersinden, trafo karakteristiğini, dönüştürme oranı ve sisteminde
kullanılacak koruma elemanları seçilirken Güç Sistemlerinde Koruma dersinden,
sistemin korunması ve topraklanması için Elektrik Makineleri ve Güç sistemleri Lab I
dersinden faydalandık.
4. Kullandığınız veya dikkate aldığınız mühendislik standartları nelerdir?
IEEE - 929-2000: IEEE Recommended Practice for Utility Interface of Photovoltaic
(PV) Systems.
EN 61215 - EN61730: Kristalin silikon karasal fotovoltaik (FV) modüller güncel EN
61215, EN 61730 standartları doğrultusunda, tasarlanmış, üretilmiş ve tip testleri
yapılmış olmalıdır.
EN 62109-1 ve EN 62509 : Batarya şarj kontrol cihazları güncel EN 62109-1 ve EN
62509 standartları gerekleri doğrultusunda olmalıdır.
EN 50272-1: Güvenlik kuralları – Sekonder akümülatörler ve akümülatör tesisatları
için. Bölüm-1:Genel güvenlik bilgisi
EN 60228 ve EN 60287 : Kablolar güncel EN 60228, EN 60287 standartları ve VDE
–AR-E-2283-4 standartları gerekleri doğrultusunda olmalıdır. Kabloların kesitlerinin
belirlenmesi; gerilim düşümü, kısa devre ve kabloların akım taşıma hesapları, azaltma
faktörleri mesafe ve güce bağlı olarak HD 60364-5- 52 standardı gerekleri
doğrultusunda yapılacaktır.
EN-50530: Ağ şebekelere bağlanmış fotovoltaik çeviricilerin toplam verimliliği.
EN-62116: Şebekeye bağlı fotovoltaik çeviriciler için bağlantıyı koruma
önlemlerinin deney işlemleri.
5. Kullandığınız veya dikkate aldığınız gerçekçi kısıtlar nelerdir?
a) Ekonomi:
Deney setimizde kullanılan malzemeler enerji piyasasında maliyeti yüksek elemanlar
olmasına rağmen sistemimizi optimum maliyette tasarlamaya çalıştık. Yüksek verim -
minimum maliyetle tasarlamaya özen gösterdik.
49
b) Çevre sorunları:
Deney setimiz güneşten alınan temiz enerjinin paneller yardımıyla hiçbir yardımcı
mekanik düzenek yada yakıcı madde kullanılmadan elde edilmesinden dolayı çevresel
sorunlar teşkil etmemektedir.
c) Sürdürülebilirlik:
Deney setimiz yenilenebilir enerji kaynaklarına olan ilginin artması ve insanların
enerjiye olan ihtiyaçlarından doğan araştırmalar sonucu sürdürülebilir niteliktedir.
d) Üretilebilirlik:
Tasarlanan deney seti çevre dostu, kolay enerji üretimi ve düşük maliyetlerle kendi
enerjisini üretme ve bu konuda bilgilendirme özeliğinden dolayı üretilebilirliği
yüksektir.
e) Etik:
Tasarımızda insan sağlığını, çevreyi olumsuz etkileyecek bir unsur bulunmadığından
etik dışı bir unsur bulunmamaktadır.
f) Sağlık:
Tasarımımız çevreye yada insan sağlığına zarar verecek zararlı gazlar
içermediğinden, kaçak akımlara ve arıza durumlarına karşı maksimum güvenlik
önlemleriyle donanımlı olduğundan insan sağlığını tehdit edecek unsurlar mümkün
olduğunca en aza indirilmiş.
g) Güvenlik:
Deney yapanların herhangi bir aşırı akıma yada insan sağlığını tehlikeye atacak
yüksek bir gerilime maruz kalmamalarına karşın izoleli malzemenin kullanılmasına ve
deney seti düzeneğinin topraklanmasına özen gösterilmiştir.
h) Sosyal ve politik sorunlar:
Deney seti tasarımımız ülkenin enerji ihtiyacının yenilenebilir enerji kaynaklarından
sağlanması ve yenilenebilir enerji kaynaklarıyla deney yapma imkanı oluşturuyor. Bu
yüzden sosyal yada politik hiçbir sorun teşkil etmemektedir.
50
EK-4. YENİLENEBİLİR ENERJİ FÖYÜ
Trabzon Teknik ve Endüstri Meslek Lisesi
Yenilenebilir Enerji Teknolojileri Bölümü
YENİLENEBİLİR ENERJİ
1. Amaç
1. Yenilenebilir enerjinin önemini, enerjisi üretiminde kullanılan sistemin genel yapısını
anlamak.
2. Güneş ve rüzgar enerjisi üretiminde kullanılan ekipmanları ve bu ekipmanların
kullanım amacını anlamak.
2. Deneye Hazırlık
1. Yenilebilir enerji nedir? Çeşitleri nelerdir?
2. Güneş enerjisinden elektrik enerjisi elde etmek için kullanılan elemanlar nelerdir?
Kullanım amaçlarını açıklayınız?
3. Rüzgar enerjisinden elektrik enerjisi elde etmek için kullanılan elemanlar nelerdir?
Kullanım amaçlarını açıklayınız?
4. Fotovoltaik güneş pilinin I-V karakteristiğini çiziniz?
5. Rüzgar enerjisi elde edilirken hangi tip generatörler kullanılır? En yaygın kullanılan
generatör tipi hangisidir?
51
3. Giriş
Gelişen teknolojiyle beraber günümüz insanının enerjiye olan ihtiyacı her geçen gün
artmaktadır. Enerji sosyal ve ekonomik hayatın vazgeçilmezi haline gelmiştir. Dünyada
enerji ihtiyacının büyük bir kısmının fosil yakıtlardan elde edildiği düşünüldüğünde ve
1970 yılında ortaya çıkan petrol krizi nedeniyle çoğu devlet enerji ihtiyacını
karşılamakta sıkıntı çekmiştir. Bunun yanında fosil yakıtların enerji üretiminde
kullanılmasıyla çevreye salınan zararlı gazlar nedeniyle ekolojik dengeye önemli
zararlar verildi. Bunun önüne geçebilmek için nükleer enerjiye başvuruldu ancak bu
konuda da önemli sorunlar ortaya çıktı. Özellikle radyoaktif sızıntı tehlikesi ve uranyum
zenginleştirilmesi devletler arasında gerilimler yaşanmasına neden oldu. Tüm bu
ekonomik ve çevresel faktörler yenilenebilir enerji kaynaklarına olan ilgiyi arttırmış ve
yapılacak yeni yatırımların bu yönde olmasına neden olmuştur.
Yenilenebilir enerji; doğal süreçlerden elde edilen ve kaynağı sonsuz olan bir
enerjidir. Güneş, rüzgar, nehirler, dalga hareketleri, biyokütle, jeotermal başlıca
yenilenebilir enerji kaynaklarıdır. Yenilenebilir kaynaklardan güneş enerjisinde
güneşten gelen fotonlardan, hidrolikte suyun potansiyel enerjisinden, jeotermal enerjide
yer altındaki doğal sıcak su kaynaklarından, biyokütle enerjisinde bitkilerden ve
atıklardan, rüzgar enerjisinde de güneşin yeryüzünde sebep olduğu ısıl değişimin,
basıncın ve nemin etkisiyle oluşan rüzgarlardan yararlanılarak elektrik enerjisi elde
edilir. Yenilenebilir enerji kaynakları arasında son yıllarda en çok ilgiyi güneş
enerjisiyle beraber rüzgar enerjisi görmüştür.
4. Genel Bilgiler
Yenilenebilir enerji deney setinde şekil E4.1.' de görüldüğü gibi rüzgar
generatöründen elde edilen üç fazlı AA gerilim doğrultucu tarafından doğrultuldu ve
şarj regülatörü aracılığıyla 12V DA gerilim değerine sabitlendi. Güneş panelinden elden
edilen DA gerilim de aynı şekilde şarj regülatörü aracılığıyla 12V DA gerilim değerine
sabitlendi ve sabitlenen bu gerilimler DA barasında toplandı. DA barasındaki 12V DA
gerilim evirici aracılığıyla 220V AA gerilimine çevrildi ve 220V AA gerilimin
harmoniklerini azaltmak amacıyla bire bir trafo kullanıldı. Trafo çıkışı AA baraya
bağlandı ve bu baradan AA yükler beslendi. DA yükleri beslemek amacıyla AA baraya
AA/DA dönüştürücü bağlandı. AA ve DA yük olarak farklı güç değerlerine sahip
lambalar ve fanlar kullanıldı.
52
Şekil E4.1. Yenilenebilir Enerji Deney Şeması
53
5. Yenilenebilir Enerji Deneyleri
5.1. Yüksüz Durum Deneyi
Yüksüz durum deneyinde, rüzgar türbini doğrultucu çıkışı açık devre gerilimi ve
güneş panelinin açık devre gerilimleri ölçülecektir. Çizelge E4.1.' e kaydedilir. Elde
edilen bu açık devre gerilim değerleri osiloskop ile incelenecektir. Şekil E4.1.'e rüzgar
türbini doğrultucu çıkışı açık devre gerilimi ve şekil E4.1.' ye de güneş paneli açık devre
gerilimi çizilecektir.
Çizelge E4.1. Güneş Paneli ve Rüzgar Türbin Doğrultucu Çıkışı Açık Devre
Gerilimleri
Açık Devre Gerilim(V)
Güneş Paneli
Rüzgar Türbin Doğrultucu Çıkışı
Güneş paneli ve rüzgar türbini doğrultucu çıkışındaki DA gerilim değerleri şarj
kontrol cihazı kullanılarak 12 V DA gerilim değerine sabitlenmiştir ve DA barada
toplanmıştır. Şekil E4.5. bağlantı şeması yapılarak DA baradaki gerilim değeri
ölçülecek ve osiloskop ile incelenecektir. Çizelge E4.2.' ye ölçülen gerilim değeri
kaydedilecek ve şekil E4.4.' e de bu gerilimi çizilecektir.
Çizelge E4.2. DA Bara Gerilim değeri
DA Bara Gerilim Değeri(V)
54
Şekil E4.2. Rüzgar türbini doğrultucu çıkışı açık devre gerilimi
Şekil E4.3. Güneş paneli çıkışı açık devre gerilimi
Şekil E4.4. DA bara gerilimi
55
Şekil E4.5. Yüksüz durum deney bağlantı şeması
56
5.2. Yüklü Durum Deneyleri
Yüklü durum deneylerinde farklı güçteki AA fanlar ve AA ampuller beslenecektir.
Birinci deneyde 14,28 ve 42 W değerlerindeki AA fanlar beslenecektir. Deney
gerçekleştirilirken Şekil E4.6.' deki bağlantı şemasından yararlanılarak deneyin
bağlantısı yapılacaktır. Bağlantı gerçekleştirildikten sonra Çizelge E4.3' de ki ölçülmesi
gereken değerler incelenecek ve yorumlanacaktır. Akım değerleri multimetre
yardımıyla ölçülecektir.
Çizelge E4.3. Farklı güç değerlerindeki fanların beslenmesi durumuna ait deney
sonuçları
Fan Güç Değerleri(Watt) 14 28 42
AA Bara Çıkış(V)
Rüzgar Türbininden Şarj
Kontrol Cihazına
Aktarılan Akım(A)
Güneş Panelinden Şarj
Kontrol Cihazına
Aktarılan Akım(A)
Rüzgar Türbininden
Aküye Aktarılan Akım(A)
Güneş Panelinden Aküye
Aktarılan Akım(A)
Rüzgar Türbinine ait Şarj
Kontrol Cihazından Yüke
Aktarılan DA Akım(A)
Güneş Paneli Şarj Kontrol
Cihazından Yüke
Aktarılan DA Akım(A)
Yükün Çektiği Toplam
DA Akım(A)
Yükün Çektiği Toplam AA
Akım(A)
Deneyin Yorumu:
57
Şekil E4.6. Yüklü durum AA fan deney bağlantı şeması
58
İkinci deneyde 30,60 ve 90 W değerlerindeki AA ampuller beslenecektir. Deney
gerçekleştirilirken şekil E4.7.' daki bağlantı şemasından yararlanılarak deneyin
bağlantısı yapılacaktır. Bağlantı gerçekleştirildikten sonra çizelge E4.4' de ki ölçülmesi
gereken değerler incelenecek ve yorumlanacaktır. Akım değerleri multimetre
yardımıyla ölçülecektir.
Çizelge E4.4. Farklı güç değerlerindeki ampullerin beslenmesi durumuna ait deney
sonuçları
Ampul Güç
Değerleri(Watt)
30
60
90
AA Bara Çıkış(V)
Rüzgar Türbininden Şarj
Kontrol Cihazına
Aktarılan Akım(A)
Güneş Panelinden Şarj
Kontrol Cihazına
Aktarılan Akım(A)
Rüzgar Türbininden
Aküye Aktarılan Akım(A)
Güneş Panelinden Aküye
Aktarılan Akım(A)
Rüzgar Türbinine ait Şarj
Kontrol Cihazından Yüke
Aktarılan DA Akım(A)
Güneş Paneli Şarj Kontrol
Cihazından Yüke
Aktarılan DA Akım(A)
Yükün Çektiği Toplam
DA Akım(A)
Deneyin Yorumu:
59
Şekil E4.7. Yüklü durum AA ampul deney bağlantı şeması
60
Deneyde izolasyon trafosunun sisteme olan etkisi incelenecektir. Şekil E4.10.
bağlantı şemasından yararlanılarak sistem izolasyon trafolu ve trafosuz olarak
çalıştırılarak osiloskop yardımıyla incelecektir. İncelenen çıkışlar şekil E4.8 ve şekil
E4.9' e kaydedilecektir.
Şekil E4.8. İzolasyon trafolu çıkış gerilimi
Şekil E4.9. İzolasyon trafosuz çıkış gerilim
Deneyin Yorumu:
61
Şekil E4.10. İzolasyon trafosunun incelenmesine ait bağlantı şeması
62
Deneyde AA/DA dönüştürücünün sistemde kullanılmasının nedenini anlamak için
şekil E4.12' deki bağlantı yapılacak ve çıkış işareti şekil E4.11’ e kaydedilecektir. Bu
sonuç şekil E4.4' deki DA bara çıkış gerilimi işaretiyle karşılaştırılacaktır.
Şekil E4.11. AA/DA dönüştürücün çıkış gerilim işareti
Deneyin Yorumu:
63
Şekil E4.12. DA/AA dönüştürücünün incelenmesine ait bağlantı şeması
64
Trabzon Teknik ve Endüstri Meslek Lisesi
Yenilenebilir Enerji Teknolojileri Bölümü
Laboratuar da Uyulması Gereken Güvenlik Kuralları
1- Laboratuarda çalışılacağı zaman uygun kıyafetlerle gelinmelidir.
2- Laboratuarda kesinlikle tek başına çalışılmamalıdır.
3- Deney masaları üzerine sıvı içerin herhangi bir şey konulmamalıdır.
4- Deney esnasında devreleri kurarken enerji kesilmelidir.
5- Doğruluğundan emin olunmayan bağlantılar varsa deney sorumlusuna
gösterilmeden kesinlikle çalıştırılmamalıdır.
6- Deney sırasında elektrik çarpmasına karşı tüm önlemleri aldığınızdan
emin olunuz.
7- Kullanımı bilinmeyen cihazları kullanılmamalıdır.
8- Enerji altında olup olmadığını bilmediğiniz makine aksamlarına
dokunulmamalıdır.
9- Laboratuardan çıkılırken tüm sigortalar kapatılmalıdır.
65
EK-5. PANEL MASASI TEKNİK ÇİZİM
a. b. c.
Şekil E5.1. Panel masasının a. önden, b. yandan, c. perspektif görünüm
