FOTOVOLTAİK SİSTEMLER - solar- · PDF file2 Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 3 Fotovoltaik Sistemler • PV sistem tipleri –Basit DC PV sistemler • Direkt bağlı

1

FOTOVOLTAİK SİSTEMLER

EES 487 Yeni Enerji Kaynakları

Dr. Mutlu BOZTEPE

03.11.2009

Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 2

Enerji kaynaklarının özellikleri

2


Fotovoltaik Sistemler

• PV sistem tipleri

– Basit DC PV sistemler

• Direkt bağlı PV sistemler (Direct coupled PV systems)

• Bataryalı DC PV sistemler (DC PV system with storage)

– Otonom PV sistemler (Stand-Alone PV systems)

– Hibrit Sistemler (Hybrid systems)

– Şebekeye Bağlı Sistemler (Grid-connected PV systems)

• Grid-backup PV systems (şebeke sadece yedekleme amaçlı)

• Grid-interactive PV systems (Şebekeyle enerji alışverişi var)



• Fotovoltaik sistemlerin kalbi Güneş pilleridir.

• Hareketli parçası yok, dolayısıyla bakım neredeyse gereksiz.

• Sessiz çalışır. Dikkat, çoğunlukla insanlar PV modül elektriğinin çarpmadığını düşünürler :-o

• Yerçekimsiz ortamlarda da çalışabilir.

• Çevreyi kirletmez, çevre dostudur.

• Eleman sayısının artması (batarya, şarj reg., invertör vs.) arıza olasılığını ve kayıpları artırır.

• İlave güç kaynaklarının kullanılması (dizel jen. gibi) enerjinin sürekli kullanılabilir olma olasılığını (availability) iyileştirir.

• Eleman sayısının artması maliyeti de arttırır. Ama istenilen bir availability değerine ulaşmak için maliyeti düşürür.

3




Direkt bağlı PV sistemler

• En basit PV sistem tipidir.

• Eleman sayısı az olduğundan en

ekonomik sistemdir.

• Güvenilirliği (reliability) yüksektir.

• Sadece güneş olduğu zamanlarda

çalışır.

YükPV

• Bu tür sistemler sadece gündüz çalışması gereken DC yükler için en

uygun çözümdür.

• Güneş pilleri ile yük arasındaki maksimum güç aktarımını

gerçekleştirebilmek için MPP izleyici kullanılabilir.

• Güneş pili akım ve gerilimindeki ışınıma bağlı değişmelere yükün

toleransı olmalıdır.

• Uygulamalar: Su pompalama, hesap makinaları, oyuncaklar, Fanlar,

pompalar vs.

4


Direkt bağlı PV sistemler


Bataryalı DC PV Sistemler

• Küçük ve özel amaçlı sistemlerde sıkça kullanılır.

• Sadece DC yükleri çalıştırabilir.

• Dc standartlara göre kurulum yapılmalıdır. Kablolama, sigortalar,

soketler AC malzemelerle yapılmamalıdır.

• Çoğunlukla şarj regülatörü kullanılır. MPP izleyicisinin kullanımı

yüke ve sisteme göre değişir.

• Sistem gerilimi yüksek ise kablolama ve montaj çok dikkat ister.

(>40Vdc tehlike sınırı)

• Güneş enerjisindeki süreksizlikleri

dengelemek için küçük boyutlu bir

batarya kullanılır. Böylece gerilim

sabit kalır!

• Uygulamalar: Özel endüstriyel

uygulamalar ve konutlarda

5





6



• Askeri uygulamalar



CELLULARNOTEBOOKS

PDA

7




Stand-Alone PV Sistemler

• Esnek bir sistemdir.

• İnvertör sayesinde AC yükler de çalışabilir.

• Batarya sayesinde, yükler sadece gündüz değil gece de

çalıştırılabilir. Hatta, arka arkaya 3-5 kapalı gün olsa dahi sistem

iflas etmeyecek şekilde batarya boyutlandırılabilir.

• Sistem verimi kullanılan elemanlara bağlıdır.

– MPP izleme sistem verimini artırır.

– Batarya verimi ve inverter verimi oldukça önemlidir.

8



• 1993‟te şebekeden uzak

bölgelerdeki PV sistemler tüm

pazarın %80‟ini ve kristal Si PV

modül pazarının %90‟ını

oluşturmuştur.



• Telekomunikasyon, radar, navigasyon sistemleri trafik

işaretleri

• Güvenilir sistemler ve bakımsız çalışabilirler.

• Buralarda ekonomik!

9



Endüstriyel uygulamalar



• Genel olarak şebekeden 1.5km uzak yerlerde ekonomik

sistemlerdir.

• Şebekenin verdiği enerji konforunu verebilmektedir.

10



• Gelişmekte olan ülkelerde önemli bir enerji

kaynağıdır.

• Su pompalama, elektrifikasyon,

aydınlatma, medikal uygulamalar, iletişim

sistemleri



21. Yüzyılda 2 milyar insanın elektriksiz olduğu tahmin edilmektedir. PV

sistemler çözüm olabilir.

11



• Vaha elektrifikasyonu



• Bahçe aydınlatması

12



• Güneş aydınlatma sistemleri,

alternatiflerine göre (lux, mum) daha

ekonomik ve konforludur.

• Gerekli ilk yatırım, uygun finans

yöntemleri ile sağlanabilmektedir.

Gelişmekte olan ülkeler



Güneş Enerjili Parkmetre

13


Hibrit Sistemler

• Alternatifli güç sistemidir. Genellikle dizel jen. ile PV sistem

yedeklenir.

• Sadece dizel sistemler verim ve bakım gereksinmesi açısından

kısmi yüklerde zayıf bir performans gösterir.

• Batarya eklemek kısmi yüklerde jeneratör çalıştırma gereksinmesini

azaltır.

• PV sistemin kullanılması ise

dizel yakıt kullanımını azaltır.

• Güneş enerjisi kullanımı yüksek

tutulursa availability yükselir.

• Uygulamalar: Şebekeden uzak

evlerin enerjlendirilmesi

Hibrit Sistemler


14


Şebekeye bağlı sistemler

• Depo elemanı kullanılmaz. (Şebeke enerji deposu gibi çalışır)

• Üretilen enerji yük üzerinde anında kullanılır. Fazla enerji şebekeye aktarılır. Eksik enerji şebekeden tamamlanır.

• İnverterin tasarımı özeldir, şebekeye kontrollü enerji aktarabilir ve güneş pillerini MPP de çalıştırır.

• Ayrıca inverter şebekenin enerji kalitesi (harmonik) ve güvenlik gereksinimlerini karşılamak zorundadır. (İslanding etkisi)

• Fazla enerji satılarak maliyet azaltılabilir.

• Birçok tipi vardır:

• Çatı tipi sistemler (residential)

• Binaya entegre sistemler(Building-integrated)

• Santral tipi sistemler(utility scale)


Performance ratio

Ref. http://www.nrel.gov/docs/fy05osti/37358.pdf

15





16



• Hızla büyüyen bir sektör (büyüme hızı

%30)

• Çevreye saygılı enerji

• Merkezi olmak yerine dağıtılmış enerji

üretimi.

• Enerji üretildiği yerde kullanılıyor.

Dağıtım kayıpları azalıyor!

• Şebekenin Pik-güç gereksinimini

karşılama

• Ekonomiklik, birim enerji maliyeti

düşük



• Solar city, Amersfoort, Holland

17


Building integrated PV (BIPV)

• Mimari detaylara uygun modüller ile montaj

maliyetleri azalıyor.

• Bina yüzeylerine kaplanabiliyor.

• Modüller, diğer kaplama malzemelerine göre

çoğunlukla daha ucuz

• Değişik renk ve biçimlerde özel modüller



18




Residential PV

• Gündüz şebekeye ver, gece şebekeden kullan

• Üretilen tüm enerji yerinde kullanılıyor

• Batarya veya herhangi bir depolama elemanına gerek yok

• Yaygınlaşabilmesi için sübvansiyon miktarı önemli (teşvikler)

19


Utility scale PV

• Temiz enerji sistemleri

• Demo sistemler

• Dağıtılmış güç üretimi


Utility scale PV

• 1 MWp PV system

20


Utiliy Scale PV system

Central inverter



String inverter

21



Module inverter


Uzay

• Mükemmel bir “remote” uygulaması

• Teknoloji çoğunlukla III-IV teknolojisi (GaAs)

22

PV SİSTEM TASARIMI

EES 487 Yeni Enerji Kaynakları

Dr. Mutlu BOZTEPE


Tasarımda Önemli Noktalar

• Modül yüzeyine gelen güneş enerjisi ne kadar?

• Günlük kWh enerji ihtiyacı nedir?

• Yükün günlük profili nasıl?

– Yükün ortalama gücü (W) nedir?

– Yükün maksimum gücü (W) nedir?

• Çalışma gerilimi nedir?

• Ne kadar enerji depolamaya gereksinim var?

• Tasarımda tüm bu sorular net olarak

yanıtlanmalıdır!

23


Gelen güneş enerjisi

• Herhangi bir yer için ışınım ölçümü çoğunlukla

yatay yüzeyde yapılır.

• Modüller daha çok ışınım almak için eğimli

yerleştirilirler.

• Daha önce verilen hesaplamalarla, yatay yüzeye

gelen ışınım modül yüzeyine dönüştürülebilir.


Peak Saat (PS) kavramı

1000 W/m2 sabit ışınım şiddetinde, günlük toplam güneş radyasyonuna eşit bir enerjiyi elde edebilmek için gereken süreye denir.

Güneşin

doğuşu

Güneşin

batışısaat

Işınım W/m2)

Gmax

1000 W/m2

Peak saat

Gün uzunluğu

24


Gelen güneş enerjisi

• Barcelona 60° eğimli yüzeyde günlük toplam ışınım

(kWh/m2)

Ocak 4.60 Temmuz 4.80

Şubat 4.59 Ağustos 4.85

Mart 4.62 Eylül 4.58

Nisan 4.55 Ekim 4.53

Mayıs 4.30 Kasım 4.12

Haziran 4.45 Aralık 3.49

Yıllık ortalaması = 4.46 kWh/m2

Peak saat ortalaması = 4.46 saat


Yükün enerji gereksinimi (kWh)

• Bir gün boyunca gereken toplam enerji kWh

olarak hesaplanır.

• AC ve DC yükler ayrı ayrı hesaba katılmalıdır.

Çünkü verimler farklıdır.

• Her bir yük için ortalama güç ve ortalama

çalışma saatleri hesaplanır ve verimler de

hesaba katılarak toplam günlük enerji ihtiyacı

elde edilir.

25



• DC ve AC tip Gece/Gündüz yüklerinde verimler

BATPV

DC yükler

(Gündüz)

DC yükler

(Gece)

INV

AC yükler

(Gece)

INV

AC yükler

(Gündüz)

Modül

gücü

PV= temp . optic . mismatch = (0.9) . (0.95) . (0.95) = 0.81

INV= 0.90

BAT= charge/discharge eff = 0.80Depth of discharge of

battery (DOD) is %70!



• Günümüzde invertör verimleri yüksek olduğundan DC ile çalışan cihazlara yönelme olmamaktadır.

• Su pompalama uygulaması gündüz çalışan yük olarak düşünülebilir.

Modül

gücüBATPV

DC yükler

(Gündüz)

INV

AC yükler

(Toplam)

Enerji

gereksinimi

DC yükler için verim DC= PV = 0.81

AC yükler için verim AC= PV BAT INV = 0.58

26


Yük hesabı

Ort.Güç Çalışma Enerji Tüketimi [Wh]

Yük [W] süresi [h] Adet Günlük Haftalık

DC yükler

Pump 55 2/gün 1 110 770

Toplam 770

AC yükler

Aydınlatma 1 25 5/gün 4 500 3500


Bilgisayar 250 1.5/gün 1 375 2625

Ütü 800 0.5/hafta 1 - 400

Buzdolabı 200 8/gün 1 1600 11200

Mikrodalga 500 1/hafta 1 - 500

Toplam 19485

Ort. günlük DC yük= 770 / 7 = 110 Wh/gün

Ort. günlük AC yük= 19485 / 7 = 2783.57 2784 Wh/gün

Ort.günlük enerji ihtiyacı = EL= 110/0.81 + 2784/0.58=4936 Wh/gün


Yük hesabı

• Ortalama Yük akımı

• Sistem voltajı 24V olsun. IL=4936 / (24.24) = 8.57A

DC

LL

V

EI

.24 Sistem

voltajı

NOT: Buradaki sistem voltajı nominal değerdir. Yani 12 V‟luk

bir sistemde 12V‟luk bir batarya kullanılır. Ancak 12V‟luk bir

bataryanın çalışma gerilimi 11-14V arasında olduğu

hatırlanmalıdır!

27


PV boyutu

• PV generatör en az yükün ihtiyacı kadar enerji üretmelidir.

DCPVL VIPSgünWhE ..)/(

Peak saat

PS

II L

PV

24

DC

LL

V

EI

.24 Denklemiyle birlikte çözülürse;

Gerekli PV akımı bulunur.

IPV=(24).(8.57) / (4.46)= 46.11 A


Paralel bağlı modül sayısı Np

SC

PVp

I

ISFN

Sizing factor

Modül kısa devre

akımı (STC)

Np=46.11/4.5=10.25 NP=11 SF=11/10.25=1.073 (%7.3)

ISC=4.5 A OST80 Çok kristal Si Modül

Bu değer büyüdükçe güvenlik

artar. Örneğin Np=12 olursa

SF=1.115 (%11.5)

28


Seri bağlı modül sayısı NS

mp

DCS

V

VN

Modül çalışma

voltajı (STC)

VMP=15.5 V OST80 Çok kristal Si Modül

Ama burada nominal değerler kullanılıyor. O nedenle 36 adet

hücre için 12V alınmalı.

Ns=24/12=2 NS=2

Toplam modül sayısı = Np . Ns = 11 . 2 = 22 modül

Toplam PV gücü = 22 . 80 = 1760 WpWp: Watt peak


Batarya kapasitesi

sayisigünkapalıxDOD

EE L

BAT

Depth of

discharge %70

Ardarda kapalı geçen gün

sayısı. Bu günlerde enerji

bataryadan sağlanacak. 3-5

arasında kabul edilir. Ne

kadar büyük olursa sistem o

kadar güvenilir olur. Ama

maliyet artar

EBAT= 4936 * 5 / 0.7 = 35257 Wh

Amper saat kapasitesi = 35257 / 24 = 1469 Ah

150 Ah / 12V „luk akülerimiz olsun.

Paralel Akü sayısı= 1469 / 150 = 9,79 10

Seri bağlı akü sayısı= 24/12=2

Toplam akü sayısı=20 Toplam Akü kapasitesi = 36.0 kWh

29


Loss of load probability (LOLP)

• Yükün enerjisiz kalma olasılığıdır. Tasarımda kullanılan kapalı gün

sayısı ile doğrudan ilgilidir.

• İstatistiksel bir sonuçtur. Tasarlanan sistem 1 yıl boyunca saat saat

simule edilir ve bataryanın iflas ettiği, yani yüke enerjinin verilemediği

süreler toplanır. Bu sürenin toplam süreye oranı LLP‟dir.

Uygulama LLP

Aydınlatma 10-2

Ev cihazları 10-1

Telekomünikasyon 10-4


İnvertör seçimi

Ort.Güç Çalışma Enerji Tüketimi [Wh]

Yük [W] süresi [h] Adet Günlük Haftalık

AC yükler



Bilgisayar 250 1.5/gün 1 375 2625

Ütü 800 0.5/hafta 1 - 400

Buzdolabı 200 8/gün 1 1600 11200

Mikrodalga 500 1/hafta 1 - 500

Toplam 19485

Aynı anda çalışabilecek yüklerin güçleri toplamı bulunur. İnvertör

gücü bundan büyük olmalıdır. Bazı yükler (buzdolabı vs.) ilk kalkışta

yüksek akım çekerler. Bu durum dikkate alınmalıdır.

Buzdolabı(x4 kat demaraj akımı olsun), ütü(veya mikrodalga), bilgisayar ve

25W aydınlatma aynı anda çalışırsa; 4*200+800+250+25=1875W 2kW

inverter yeterli.

30


Şarj regülatörü seçimi

• Paralel PV modül sayısı Np=11 olarak

bulunmuştu. Her bir modül ISC=4.5A old. Göre

maksimum 49.5 A verebilir.

• Şarj regülatörü >50A seçilmelidir. Gerilimi 24V

olmak şartıyla.

• PV modülleri gruplara ayırıp, daha düşük güçte

şarj regülatör kullanmak mümkündür. Gerilim

değişmez.


Balance of the system

• DC ve AC ayırıcılar (kesiciler)

• DC ve AC sigortalar

• Topraklama

• Paratoner (yıldırıma karşı korumalar, surge

protector)

• İzolasyon

• Batarya için bir oda, havalandırmalı

• Elektriksel bağlantılar (wiring)

31


Sistem şeması

…

Toplam 11 paralel kol, 22

adet OST80 80Wp modül

ŞARJ REG.

…

Toplam 10 paralel kol, 20

adet 150Ah/12V akü

60A

100A

2kW/24=83.3

100 A

İNV.

2kW

AC

YÜKLER

220V/50Hz

Surge

protector

DC

YÜKLER


Gelişmiş tasarım yöntemleri

• PV sistem tasarım paket programları

• PVSYST, PVSOL, TRNSYS vs.

– Sentetik ışınım hesabı yapılabiliyor. Veya ölçülmüş

değerler programa girilebiliyor.

– Kütüphanesinde ticari modül, şarj regülatörü, invertör

vs. var.

– Bütün bir yıl boyunca saat saat analiz yapıp, çok

detaylı sonuçlar elde edilebiliyor. Optimizasyon için

bunlar çok önemli!

– Maaliyet analiz yapılabiliyor.

Documents

FOTOVOLTAİK SİSTEMLER - solar- · PDF file2 Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 3 Fotovoltaik Sistemler • PV sistem tipleri –Basit DC PV sistemler • Direkt bağlı