HİBRİT ENERJİ SANTRALİ TASARIMI

GÜNEŞ VE RÜZGÂR ENERJİSİ KULLANILARAK ŞEBEKE İLE

PARALEL ÇALIŞABİLEN HİBRİT ENERJİ SANTRALİ TASARIMI

VE UYGULAMASI

Mehmet DEMİRTAŞ

DOKTORA TEZİ

ELEKTRİK EĞİTİMİ

GAZİ ÜNİVERSİTESİ

FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

OCAK 2008

ANKARA

Mehmet DEMİRTAŞ tarafından hazırlanan “GÜNEŞ VE RÜZGÂR ENERJİSİ

KULLANILARAK ŞEBEKE İLE PARALEL ÇALIŞABİLEN HİBRİT ENERJİ

SANTRALİ TASARIMI VE UYGULAMASI” adlı bu tezin Doktora tezi olarak

uygun olduğunu onaylarım.

Prof. Dr. İlhami ÇOLAK ……………………………….

Elektrik Eğitimi Anabilim Dalı

Yrd. Doç Dr. İbrahim SEFA ……………………………….

Elektrik Eğitimi Anabilim Dalı

Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği ile Elektrik Eğitimi

Anabilim Dalında Doktora tezi olarak kabul edilmiştir.

Prof. Dr. Kenan DANIŞMAN ……………………………….

Elektrik Elektronik Mühendisliği, Erciyes Üniversitesi

Prof. Dr. M. Cengiz TAPLAMACIOĞLU ……………………………….

Elektrik Elektronik Mühendisliği, Gazi Üniversitesi

Prof. Dr. Güngör BAL ……………………………….

Elektrik Eğitimi, Gazi Üniversitesi

Prof. Dr. İlhami ÇOLAK ……………………………….

Elektrik Eğitimi, Gazi Üniversitesi

Doç Dr. Şeref SAĞIROĞLU ……………………………….

Bilgisayar Mühendisliği, Gazi Üniversitesi

Tarih 18 / 01 / 2008

Bu tez ile G.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Doktora derecesini

onamıştır.

Prof. Dr. Nermin ERTAN ……………………………….

Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü

TEZ BİLDİRİMİ

Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde

elde edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan

bu çalışmada orijinal olmayan her türlü kaynağa eksiksiz atıf yapıldığını

bildiririm.

Mehmet DEMİRTAŞ

iv

GÜNEŞ VE RÜZGÂR ENERJİSİ KULLANILARAK ŞEBEKE İLE

PARALEL ÇALIŞABİLEN HİBRİT ENERJİ SANTRALİ TASARIMI VE

UYGULAMASI

(Doktora Tezi)

Mehmet DEMİRTAŞ

GAZİ ÜNİVERSİTESİ

FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Ocak 2008

ÖZET

Bu çalışmada güneş ve rüzgâr enerjilerini elektrik enerjisine dönüştürebilen bir

hibrit enerji santrali tasarlanmış ve uygulaması gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan

santralde, güneş ve rüzgârdan elde edilen enerji akü gruplarında depo

edilmekte ve istenildiğinde yüke aktarılmaktadır. Akülerin dolu olduğu anlarda

ise, üretilen enerji ya direkt yüke aktarılmakta, ya da şebekeye aktarılarak

sürekli bir enerji üretimi yapılmaktadır. Böylece üretilen enerji hem

depolanarak yük tarafından kullanılmakta, hem de şebekeye aktarılarak gelir

sağlanabilmektedir. Akülerin boş ve enerjinin üretilemediği zamanlarda yükün

ihtiyacı olan enerji mevcut şebekeden temin edilmektedir. Bu durum güç

santrali ile şebeke arasında sürekli bir güç akışını sağlamaktadır. Bu amaca

yönelik olarak rüzgâr türbininden ve güneş panellerinden elde edilen elektrik

enerjilerini aynı doğru akım (DA) barada birleştirilmesi ve evirici yardımıyla

yüke yönlendirilmesine yönelik iki adet yükseltici konvertör yapılmıştır.

Yükseltici konvertörler birbirleri ile paralel çalışabilecek şekilde ve elde edilen

çıkış gücünü devamlı olarak maksimum seviyede tutmak amacıyla “Maksimum

Güç Noktası Takibi” ( MPPT ) yapacak şekilde tasarlanmışlardır. Her iki

konvertörde bir mikro denetleyici üzerinden kontrol edilmekte ve sistemin akım

ve gerilim bilgileri burada değerlendirilmektedir. Ayrıca güneş panellerinden

v

elde edilecek enerjiyi en verimli şekilde üretebilmek amacıyla güneş takip

mekanizması ve kontrol devreleri tasarlanmıştır. Sistem parçaları arasındaki

iletişimi sağlamak için haberleşme modülleri tasarlanarak sistemin sürekli

olarak kayıt yapabilmesi sağlanmıştır. Elde edilen veriler yardımıyla sistemin

günlük, haftalık ve aylık olarak akım, gerilim, güç ve enerji değerleri

kaydedilerek verimi incelenmiştir.

Bilim Kodu : 703.3.012 Anahtar Kelimeler :Yenilenebilir enerji, rüzgâr türbini, güneş paneli,

yükseltici konvertör, şebeke etkileşimli evirici, güneş takip sistemi

Sayfa Adedi : 191 Tez Yöneticisi : Prof. Dr. İlhami ÇOLAK

vi

DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A HYBRID ENERGY STATION

USING SOLAR AND WIND POWER

(Ph.D. Thesis)

Mehmet DEMİRTAŞ

GAZI UNIVERSITY

INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

January 2008

ABSTRACT

In this study, a hybrid energy station converting solar and wind energies to

electrical energy has been designed and implemented. The energy obtained from

solar and wind is stored in the battery groups, and can be transferred to loads

on demand. In case of the batteries are fully charged, the produced energy is

either transferred to the loads directly or transferred to the power grid to

achieve continuous energy generation. Thus, the produced energy is stored in

the batteries as well as used by the loads, and also it is sold to grid by means of

transferring it to grid. When the batteries are fully discharged and the energy is

not generated, the energy required for loads is provided from the power grid.

Hence, bidirectional continuous power flow is ensured in both directions

between the power station and the power grid. For this reason, two amplifier

converters have been designed to collect electrical energy obtained from both

wind turbine and solar panels on the same direct current (DC) line as well as

orienting the energy to loads by the aid of inverter. The amplifier converters

have been designed according to operate in parallel among them and also to

execute Maximum Power Tracking process in order to hold the output power at

the maximum level continuously. Both converters are controlled by a

microcontroller, voltages and currents data of the system are also evaluated

from it. Furthermore, a solar tracking mechanism and control units have been

vii

designed to efficiently generate the energy obtained from solar panels.

Additionally, a number of communication modules have been designed to

communication parts of the system as well as to record the system data

continuously. Thus, efficiency of the system has been analyzed using current,

voltage, power and energy values recorded as daily, weekly and monthly.

Science Code : 703.3.012 Key Words :Renewable energy, wind turbine, solar panel, boost

converter, utility interactive inverter, solar tracking system. Page Number : 191 Adviser : Prof. Dr. İlhami ÇOLAK

viii

TEŞEKKÜR

Çalışmalarım boyunca çok değerli yardım ve katkılarıyla beni yönlendiren Danışman

Hocam Prof. Dr. İlhami ÇOLAK’a, her zaman fikir ve yardımlarına ihtiyaç

duyduğum ve hiçbir zaman yardımlarını esirgemeyen ikinci danışmanım Yrd. Doç.

Dr. İbrahim SEFA’ya, yine kıymetli tecrübelerinden faydalandığım hocalarım Prof.

Dr. Güngör BAL ve Prof. Dr. Cengiz TAPLAMACIOĞLU’na, özellikle uygulama

çalışmalarında önemli destek ve yardımlarını gördüğüm Ayhan YAŞAR ve İsmail

USTA’ya, ayrıca çalışmalarımın yürütülmesinde desteklerini hiçbir zaman

esirgemeyen Doç. Dr. Ramazan BAYINDIR, Yrd. Doç. Dr. Şevki DEMİRBAŞ ve

Öğr. Gör. Erdal IRMAK’a, çalışmalarımda yardımcı olan öğrenci arkadaşlarım

Abdullah ÖZSAN, Şerif ŞERİFOĞLU, Can Burak İÇGÜL ve Zafer ÖCAL’a,

manevi destekleriyle beni hiçbir zaman yalnız bırakmayan eşime, aileme ve özellikle

ömrü boyunca beni hep destekleyen çalışmamı ithaf ettiğim babama teşekkürü bir

borç bilirim.

Ayrıca çalışmalarım sırasında proje katkılarıyla maddi olarak destek aldığım Devlet

Planlama Teşkilatı (DPT-2003K/120470-30 nolu proje) ve Gazi Üniversitesi

Bilimsel Araştırma Projeleri Başkanlığı’na (BAP-35/2004-01 nolu proje) teşekkür

ederim.

ix

İÇİNDEKİLER

Sayfa ÖZET .................................................................................................................... iv ABSTRACT ..........................................................................................................vi TEŞEKKÜR ........................................................................................................viii İÇİNDEKİLER...................................................................................................... ix ÇİZELGELERİN LİSTESİ ..................................................................................xiii ŞEKİLLERİN LİSTESİ .......................................................................................xiv RESİMLERİN LİSTESİ .....................................................................................xvii HARİTALARIN LİSTESİ .................................................................................xviii SİMGELER VE KISALTMALAR ......................................................................xix 1. GİRİŞ .................................................................................................................1

2. ENERJİ KAYNAKLARI....................................................................................7

2.1. Dünya Enerji Sektörünün Gelişimi ................................................................7

2.1.1. Dünyanın kaynak varlığı.......................................................................7

2.1.2. Dünyadaki enerji ihtiyacı......................................................................9

2.2. Türkiye deki Enerji Üretim ve Tüketimi ...................................................... 10

2.3. Dünyada ve Türkiye’deki Elektrik Üretimi ve İhtiyacı ................................ 12

2.4. Alternatif Enerji Kaynaklarının Kullanımı................................................... 15

3. GÜNEŞ ENERJİSİ DÖNÜŞÜM SİSTEMİ ....................................................... 22

3.1. Güneş Enerjisinden Yararlanmanın Gelişimi ve Güneş Enerjisi................... 22

3.2. Güneş Enerjisinin Oluşumu......................................................................... 23

3.2.1. Fotovoltaik sistemler .......................................................................... 25

3.2.2. Güneş pillerinin yapımında kullanılan malzemeler.............................. 26

x

Sayfa

3.2.3. Yarı iletken fotovoltaik piller ve verimlilikleri..................................... 27

3.2.4. Kristal silisyum fotovoltaik piller ........................................................ 27

3.2.5. İnce film fotovoltaik piller ................................................................... 29

3.3. Fotovoltaik Pillerin Matematiksel Modeli..................................................... 30

3.4. Panel Verimine Etkiyen Faktörler................................................................. 32

3.4.1. Doğal etkenler ..................................................................................... 33

3.4.2. Teknolojik etkenler.............................................................................. 35

3.5. Fotovoltaik Modüllerin Sağladığı Avantajlar................................................ 36

3.6. Maksimum Güç Noktası Takibi.................................................................... 37

3.6.1. Maksimum güç takibinin gerekliliği .................................................... 38

3.6.2. Maksimum güç noktasının belirlenmesi............................................... 41

3.6.3. Maksimum güç noktası takip metotları ................................................ 42

3.7. Güneş Takip Sistemleri ................................................................................ 44

4. RÜZGÂR ENERJİSİ VE ELEKTRİKSEL UYGULAMALARI ........................ 48

4.1. Rüzgâr Türbinleri ......................................................................................... 49

4.1.1. Rüzgâr türbinlerinin sınıflandırılması .................................................. 49

4.2. Türbin Bileşenleri ........................................................................................ 51

4.3. Generatörler ................................................................................................. 56

4.3.1. Generatör regülâsyonu......................................................................... 61

4.4. Türbin Kontrol Sistemleri............................................................................. 64

4.4.1. Yön denetimi....................................................................................... 64

4.4.2. Hız denetimi........................................................................................ 65

4.4.3. Elektronik kontrol................................................................................ 72

4.5. Rüzgâr Türbinlerinde Maksimum Güç Noktası Takibi.................................. 73

xi

Sayfa

5. HİBRİT SİSTEM BİLEŞENLERİ...................................................................... 76

5.1. Konvertörler (DA/DA çeviriciler) ................................................................ 76

5.1.1. Konvertör çeşitleri ve yapılarının incelenmesi ..................................... 76

5.2. Eviriciler (DA/AA çeviriciler)...................................................................... 79

5.2.1. Yenilenebilir enerji uygulamalarında kullanılan eviriciler.................... 80

5.2.2. Evirici topolojilerinin sınıflandırılması ................................................ 84

5.2.3. Transformatörler ve bağlantı tipleri...................................................... 86

5.3. Aküler.......................................................................................................... 87

5.3.1. Akü çeşitleri ........................................................................................ 88

5.4. Şarj Denetim Birimleri ................................................................................. 91

5.5. Diğer Sistem Bileşenleri............................................................................... 92

6. TASARIM VE UYGULAMA............................................................................ 93

6.1. Hibrit Enerji Sisteminin Uygulanması .......................................................... 94

6.2. Güneş Takip Sistemi Uygulaması................................................................. 96

6.3. Yükselten (Boost) Konvertör Tasarımı .......................................................103

6.4. Güneş ve Rüzgâr Sistemlerinin Montajı .....................................................110

6.5. Haberleşme Arayüz Programının Tasarımı .................................................116

7. DENEYSEL ÇALIŞMA SONUÇLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ............119

8. SONUÇ VE ÖNERİLER .................................................................................127

KAYNAKLAR....................................................................................................134

EKLER................................................................................................................141 EK-1. Demirtaş M., " Bilgisayar Kontrollü Güneş Takip Sisteminin

Tasarımı ve Uygulaması", Politeknik Dergisi, 9 (4): 247-253 (2006). .....................................................................................................142

xii

Sayfa EK-2. Çolak İ., Sefa İ., Bayındır R., Demirtaş M., “Güneş Enerjili Yüksek

Güçlü Led Armatür Tasarımı”, Politeknik Dergisi, 10 (4): 347-352 (2007) ......................................................................................................149

EK-3. Çolak İ., Bayındır R., Sefa İ. and Demirtaş M., “Design of a Hybrid Energy Power System Using Solar and Wind Energy”, 2nd International Conference on Technical and Phsical Problems in Power Engineering, Tebriz-Iran, 776-778, (2004). ..............155

EK-4. Çolak İ., Bayındır R., Sefa İ., Demirbaş Ş., Demirtaş M., "Güneş Takip Sistemi Tasarım ve Uygulaması", 1. Enerji Verimliliği ve Kalite Sempozyumu, TMMOB Elektrik Mühendisleri Odası Kocaeli Şubesi, 301-305 (2005). ..............................................................159

EK-5. Çolak İ., Sefa İ., Bayındır R., Demirbaş Ş., Demirtaş M., “Hibrit Enerji Sistemleri İçin Paralel Çalışabilen Boost Konvertör Simülasyonu” VI. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, Isparta, Süleyman Demirel Üniversitesi, 725-734, (2006). ....................................167

EK-6. Çolak İ., Sefa İ., Bayındır R., Demirbaş Ş., Demirtaş M., “Güneş Pillerinin Elektrik Enerjisi Üretiminde Kullanımı” VI. Ulusal

Temiz Enerji Sempozyumu, Isparta, Süleyman Demirel Üniversitesi, 84-92, (2006). ......................................................................178

ÖZGEÇMİŞ.........................................................................................................189

xiii

ÇİZELGELERİN LİSTESİ

Çizelge Sayfa Çizelge 2.1. Üretim türüne göre dönemsel brüt elektrik enerjisi

üretimi, 2005 (GWh). ........................................................................14

Çizelge 2.2. Türkiye’de kurulu ve inşa halindeki rüzgâr enerjisi tesisleri................20 Çizelge 3.1. Piyasada bulunan PV-tesislerin verimlilik oranları..............................30 Çizelge 5.1. IEEE 929 standartlarına göre şebekeden ayrılma durumları ve

zamanları. .........................................................................................83

xiv

ŞEKİLLERİN LİSTESİ

Şekil Sayfa Şekil 2.1. Dünya fosil yakıt rezervleri (Haziran, 2005) ............................................ 8 Şekil 2.2. Dünya fosil yakıtları rezervlerinin kullanılabilme süreleri ....................... 8 Şekil 2.3. Dünya enerji tüketimi (1980-2030).......................................................... 9 Şekil 2.4. Dünya enerji üretim ve tüketim değerleri................................................10 Şekil 2.5. Türkiye’nin yıllara göre enerji üretim ve tüketimi...................................11 Şekil 2.6. Dünyada elektrik üretiminde kullanılan kaynaklar ve talep artışı ............13 Şekil 2.7. Türkiye için elektrik üretiminde kullanılan kaynak oranları ....................14 Şekil 2.8. Dünyada yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı.............................16 Şekil 2.9. Dünya’nın elektrik üretiminde yenilenebilir kaynak kullanım

değerleri.................................................................................................17

Şekil 2.10. Türkiye’nin aylık ortalama güneş enerjisi potansiyeli ve güneşlenme süresi .....................................................................................................18

Şekil 3.1. Işık Tayfı................................................................................................24 Şekil 3.2. Solar hücrenin içyapısı ...........................................................................30 Şekil 3.3. Güneş paneli elektriksel eşdeğer devresi.................................................31 Şekil 3.4. Fotovoltaik pillerin sıcaklığının verime etkisi .........................................34 Şekil 3.5. Bir fotovoltaik pilin veriminin seri dirençle değişimi..............................35 Şekil 3.6. Solar modülün karakteristik eğrileri........................................................38 Şekil 3.7. Güneşlenme miktarındaki değişimin solar modülün karakteristiğine

etkisi ......................................................................................................39

Şekil 3.8. Panel yüzeyi sıcaklığındaki değişimin solar modülün karakteristiğine etkisi ......................................................................................................40

Şekil 3.9. DA/DA konvertörün maksimum güç noktası takibine etkisi ...................42

Şekil 3.10. Güneşin mevsimlere göre izlediği yörüngeler .......................................44

xv

Şekil Sayfa Şekil 3.11. Güneşi tek eksende izleyen fotovoltaik modülün yerleşim şeması.........45 Şekil 3.12. Güneşi iki eksende izleyen fotovoltaik modülün yerleşim şeması .........46 Şekil 4.1. Yatay eksenli rüzgar türbini....................................................................50 Şekil 4.2. Türbin bileşenleri ...................................................................................52 Şekil 4.3. Benzetim programı ile çizilen rüzgar türbini...........................................55 Şekil 4.4. Büyük güçlü rüzgar türbinlerine ait kesit görüntüsü................................55 Şekil 4.5. Sabit mıknatıslı senkron generatör..........................................................57 Şekil 4.6. Şebekeye direkt bağlı asenkron jeneratörlü bir rüzgâr türbininin

blok diyagramı.......................................................................................60

Şekil.4.7. Kuyruk plakası ile çalışan yön bulma sistemi .........................................65 Şekil.4.8. Hız denetim bölgeleri .............................................................................66 Şekil 4.9. Türbin pervanesinde gücün hıza bağlı değişimi ......................................69 Şekil 4.10. Türbin pervanesinde aerodinamik verimin uç hız oranına bağlı

değişimi .................................................................................................70

Şekil 4.11. 1,5 kW’lık rüzgâr türbininin Hız-Güç eğrisi .........................................74 Şekil 5.1. Alçaltan (buck) konvertörün yapısı.........................................................77 Şekil 5.2. Yükselten (boost) konvertörün yapısı .....................................................78 Şekil 5.3. Alçaltan-Yükselten (buck-boost) konvertörün yapısı ..............................78 Şekil 5.4. PV evirici tipleri.....................................................................................85 Şekil 5.5. Güç dekuplaj kondansatörünün değişik yerleşimi ...................................86 Şekil 5.6.Transformatörlü evirici örnekleri.............................................................86 Şekil 6.1. Tasarlanan hibrit enerji sisteminin blok şeması.......................................95 Şekil 6.2. Güneş takip mekanizması için tasarlanan sistemin blok diyagramı ....... 100

xvi

Şekil Sayfa Şekil 6.3. Sistemin kontrol ve seri port haberleşme devresi çizimleri.................... 101 Şekil 6.4. Yükselten konvertörün MATLAB simülasyonu.................................... 104 Şekil 6.5. Maksimum güç takip sisteminin akış diyagramı ................................... 106 Şekil 6.6. Yükseltici konvertörlere ait uygulama şekli.......................................... 107 Şekil 6.7. Gate sinyalinin (a) boşta ve (b) maksimum akımda eğrileri .................. 108 Şekil 6.8. MOSFET anahtarlama oranı eğrileri..................................................... 109 Şekil 6.9. (a) Konvertör çıkış gerilimi (b) AA rıpıl değerinin gerilim eğrileri ...... 109 Şekil 7.1. 17/03/2007 gününde ölçülen güneş paneli güç değerleri ....................... 120 Şekil 7.2. 17/03/2007 gününde ölçülen güneş paneli DA gerilim ve invertör

çıkışı AA gerilim değerleri................................................................... 120

Şekil 7.3. 17/03/2007 gününde ölçülen panel akımı ve evirici çıkış akımı değerleri............................................................................................... 121

Şekil 7.4. Güneş takip sisteminin devrede olduğu ve sistemden çıkarıldığı durumlardaki güç eğrileri ..................................................................... 121

Şekil 7.5. 17/03/2007 günü için rüzgar türbini akım değerleri .............................. 122 Şekil 7.6. 17/03/2007 günü için rüzgar türbini gerilim ve şebeke gerilim eğrisi .... 123 Şekil 7.7. Beş günlük süre için güneş paneli gerilim ve akım değerleri................. 124 Şekil 7.8. Rüzgar türbini gerilim, akım, güç ve harmonik değerleri ...................... 125 Şekil 7.9. Güneş paneli ve rüzgar türbini birlikte çalışırken gerilim, akım,

güç ve harmonik değerleri.................................................................... 125

Şekil 7.10. Rüzgâr türbini için değişik rüzgâr hızlarında akım harmonik değerleri............................................................................................... 126

xvii

RESİMLERİN LİSTESİ

Resim Sayfa Resim 4.1. Düşey eksenli rüzgar türbini ................................................................ 51 Resim 6.1. Tasarlanan 12 W gücündeki takip sistemi............................................ 96 Resim 6.2. (a) İki eksenli güneş takip mekanizması arayüzü ................................. 97 Resim 6.2. (b) Takip mekanizması kayıt ekranı görüntüsü .................................... 97 Resim 6.3. 370W gücündeki iki eksenli takip mekanizması görüntüsü .................. 98 Resim 6.4 İki eksenli güneş takip mekanizması simülasyonu ................................ 99 Resim 6.5. Uygulaması yapılan güneş takip mekanizmasının resmi..................... 102 Resim 6.6. Uygulaması yapılan yükselten konvertör ........................................... 108 Resim 6.7. Rüzgâr türbini için hazırlanan beton kaide ve temeli.......................... 110 Resim 6.8. Rüzgâr türbini ve direğinin montajı ................................................... 111 Resim 6.9. Güneş takip mekanizmasının yerine yerleştirilmesi ........................... 111 Resim 6.10. İnvertör ve kontrol ünitelerinin yerleşimi......................................... 112 Resim 6.11. Kumanda panosunun ve iç bağlantısının görüntüsü.......................... 113 Resim 6.12. Sunny Boy 3300 evirici ön ve iç görüntüsü...................................... 114 Resim 6.13. Windy Boy 2500 evirici ön ve iç görüntüsü ..................................... 114 Resim 6.14. Akü şarj ünitesi görüntüsü ............................................................... 115 Resim 6.15. RS-485 Haberleşme ünitesi ............................................................. 115 Resim 6.16. Güneş takip sistemi kontrol ve haberleşme üniteleri ........................ 116 Resim 6.17. Kontrol arayüz görüntüsü ................................................................ 117 Resim 6.18. Rüzgâr türbininden elde edilen enerjinin grafik olarak görüntüsü .... 117

xviii

HARİTALARIN LİSTESİ

Harita Sayfa Harita 2.1. Türkiye rüzgâr haritası (30 m yükseklik için)...................................... 20

xix

SİMGELER VE KISALTMALAR

Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte

aşağıda sunulmuştur.

Simgeler Açıklama

I Panel çıkış akımı

V Panel çıkış gerilimi

IOS Panel ters doyum akımı

T Panel sıcaklığı oC

k Boltzmann sabiti

q Elektronik şarj

KI ISCR için kısa devre sıcaklık katsayısı A/oC = 0,0017

λλλλ W/m2 ‘deki solar aydınlanma

ISCR 25oC ve 1000 W/m2’deki kısa devre akımı

ILG Işık tarafından üretilen akım

EGO Silikon için bant genişliği

B =A İdealleştirme faktörü=1,92

TR Referans sıcaklık= 301,18oK

IOR TR referans sıcaklığında panel doyum akımı

RSH Şönt direnç

RS Seri direnç

ηηηη Fotovoltaik pilin verimi

Pm Pilin maksimum çıkış gücü

A Pil yüzey alanı (m2)

J Yüzeye gelen güneş ışınım şiddeti (W/m2)

Imak Maksimum akım

Vmak Maksimum gerilim

xx

Simgeler Açıklama

Ikd Kısa devre akımı

Vad Açık devre gerilimi

P Güç

ω Açısal hız

CP Güç katsayısı

Kısaltmalar Açıklama

AA Alternatif Akım

DA Doğru Akım

EIA Energy Information and Administration

TEP Ton Eşdeğer Petrol

EÜAS Elektrik Üretim A.S.

TEİAS Türkiye Elektrik iletim Anonim Şirketi

ETKB T.C. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı

EİE Elektrik İşleri Etüd İdaresi

PV Fotovoltaik Panel

MPPT Maksimum Güç Takibi İşlemi

PI Oransal-İntegral (Proportional-Integral)

PID Oransal-İntegral-Türev (Proportional-Integral-

Derivative)

1

1.GİRİŞ

Dünyada ve ülkemizde enerji güncel bir sorun olarak karşımıza çıkmaktadır.

Teknolojik gelişmelerle paralel olarak enerji tüketiminin artması mevcut fosil yakıt

rezervlerinin gün geçtikçe azalmasına, bu enerji kaynaklarının kullanımı ise çevre

kirliliğine ve çevre dengelerinin bozulmasına neden olmaktadır. Bu durum

araştırmacıları yenilenebilir enerji kaynakları arayışına yöneltmiştir.

Kullanım kolaylığı ve temizliği nedeniyle diğer enerji kaynaklarına göre elektrik

enerjisinin enerji tüketimi içerisindeki payı her geçen yıl artmaktadır. Elektrik

enerjisinin dezavantajı, depolanamaması ve üretildiği anda tüketilmesinin

zorunluluğudur. Bu özelliği nedeniyle mutlaka etkin bir planlama yapılarak; proje,

tesis ve dağıtım safhaları koordineli olarak düzenlenmelidir. Planlama yapılırken

enerjinin ucuzluğu, talebi karşılaması, üretimin güvenilir olması, sürekli ve kaliteli

olması gerekmektedir. Bu nedenle elektrik enerjisi üretiminde sahip olunan alternatif

enerji kaynakları ihtiyacı karşılayabilecek durumda ise mutlaka değerlendirilmelidir.

Enerji ihtiyacının temininde genellikle kömür, petrol, doğalgaz gibi yakıtlar

kullanılmaktadır. Ancak bu yakıtların yakın bir gelecekte tükenme olasılığı ve

sanayileşmenin belli yörelerde yoğunlaşması sonucu fosil yakıtların kullanımından

kaynaklanan çevre kirliliği artmaktadır. Fosil yakıtların yanması sonucu

karbondioksit (CO2), azot dioksit (NO2) ve kükürt dioksit (SO2) emisyonları önemli

değerlere ulaşmıştır. Kirliliği önleme amaçlı güneş, rüzgâr, jeotermal, hidrojen,

biokütle gibi yenilenebilir enerji kaynaklarının değişik sektörlerde uygulanabilmesi

için araştırmalar sürdürülmektedir.

Türkiye 21. yüzyıla girerken enerji ile ilgili önemli sorunlarla karşı karşıyadır.

Ekonomik gelişme güvenilir ve sürdürülebilir enerji teminine bağlıdır. Çevre

konusunda, ülke genelinde özellikle büyük kentlerde yaşanan hava kirliliğinin

azaltılmasından, dünya ölçeğinde küresel ısınma riskinin azaltılmasına kadar tüm

beklentiler, bugün kullanılan daha az kirleten ve daha az sera gazı yayan enerji

kaynakları teknolojileri kullanılmasını gerektirmektedir.

2

Yirmi yıl önce ham petrolde yaşanan kriz gelişmiş ülkeleri alternatif enerji

kaynaklarını araştırmaya yöneltmiştir. Yeraltı enerji kaynaklarının gün geçtikçe

azalmaya başlaması sonucunda enerji girdi maliyetleri artmıştır. Çevre kirliliği

problemi ise yeni enerji kaynakları arayışlarının hızlanmasına yol açan önemli bir

etken olmuştur. Gerek güneş ve gerekse rüzgâr enerjisinden elektrik elde edilmesi

üzerine yapılan araştırma ve geliştirme çalışmaları her iki teknolojiyi de günümüzde

nükleer santraller ile boy ölçüşebilir duruma getirmiştir. Güneş ve rüzgârdan elektrik

enerjisinin elde edilmesi hızla gelişmekte, gerek çevre sağlığını gerek insan sağlığını

olumsuz etkilemediğinden dolayı da tüm dünyada hızla yayılmaya ve uygulama

alanları bulmaya başlamıştır. Bu kaynakların zaman içerisinde herhangi bir şekilde

tükenmeleri ve azalmaları söz konusu değildir. Ancak kömür, petrol ve doğalgaz gibi

kaynaklar tükenmeye mahkûm enerji kaynaklarıdır.

Güneşten elektrik enerjisi üretme işleminde kullanılan güneş panellerin üretim

çeşitliliği günümüz için tatminkâr bir düzeye gelmiş bulunmakta olup, birim yüzeyde

daha çok elektrik enerjisi üretme üzerine çalışmalar devam etmektedir. Belirlenmiş

olan bir güç değeri için belirli sayıda güneş panelinin seri-paralel bağlanmaları

sonucu istenilen gücün elde edilmesi mümkün olabilmektedir [1]. Ancak bu

panellerden elde edilen gücün doğru akım (DA) olması ve şebekenin ya da

kullanıcıların alternatif akım (AA) güç taleplerinin bulunması, bir DA/AA evirici

ihtiyacını zorunlu kılmaktadır [2, 3]. Sadece gün ışığında enerji üretilebilmesi ise,

gün ışığının olmadığı zamanlarda kullanım amacıyla bu enerjinin depolanması

gerekliliğini de ortaya koymaktadır. Enerjinin depolanmasında kullanılan aküler ise

sistemin diğer bileşenlerine göre çok daha kısa ömürlü bir malzeme olduğundan, bu

elemanlara daha az ihtiyaç duyulmalıdır. Yani akülerin ömrünü belirleyen en önemli

kriter şarj-deşarj sayısıdır. Güneş enerjisinden elektrik elde edilmesi konusunda

çalışmalar son yıllarda giderek artmıştır. Bu çalışmalarda güneş takip sistemlerinin

kullanımının verime etkisi de incelenmektedir [4, 5]. Ayrıca fotovoltaik sistemlerin

daha verimli çalıştırılabilmesi için kullanılan konvertörlerin yapısı ve çalıştırılması

üzerine pek çok çalışma mevcuttur. Bu çalışmalarda iki temel konu üzerinde

durulmuştur. Birincisi konvertörün yapısı, diğeri ise konvertörün çalışma stratejisidir

[6-10]. Konvertörün çalıştırılması ve veriminin artırılmasına yönelik olarak yapay

3

sinir ağları kullanılarak veya çeşitli mikroişlemciler ve DSP kullanılarak yapılan

çalışmalar mevcuttur [11-15]. Güneş enerjili sistemlerde kullanılan konvertörlerin

çalışma stratejilerine yönelik olarak ise maksimum güç noktası takibi işleminin

yapılması ve verim artırıcı yöntemler üzerine pek çok çalışma mevcuttur [16-19].

Bu çalışmada ise güneş enerjisini daha verimli olarak kullanabilmek amacıyla tek

eksenli bir güneş takip sistemi ve güneşten elde edilen elektrik enerjisini evirici

girişinde sabit ve en uygun seviyede tutabilmek amacıyla da DA/DA yükselten

konvertör tasarlanmıştır. Tasarlanan ve uygulaması yapılan konvertörün çalışma

durumları ayrıntılı olarak incelenerek en verimli maksimum güç takibi işlemini

gerçekleştirebilmesi amacıyla C++ programlama dilinde bir mikroişlemci programı

yazılmıştır.

Elektrik enerjisi üretiminde kullanılan rüzgâr santralleri birkaç yüz watt değerinden

birkaç mega watt değerine kadar üretilmekte ve kullanılmaktadır. Bu ürünlerin küçük

ölçekli olarak adlandırılabilenleri rüzgârın en uygun olması halinde bile, bir evin

ihtiyaçlarını günün her saatinde karşılayabilecek düzeyde değildir. 1 kW ve daha

yüksek güçler için ise önemli fiyat artışı olmaktadır. Rüzgâr enerjisinin depo

edilebilmesi içinde alternatör çıkışının doğrultulması ve bir düzenleyici üzerinden

akü grubuna bağlanması gereklidir. Güneş enerjisi ile birlikte kullanım halinde akü

grubu maliyeti düşecek ve aküden, şebekeden veya dizel jeneratörden beslenme

ihtiyacı azalacaktır. Bu amaca yönelik olarak tasarlanan sistemin Türkiye’deki güneş

ve rüzgârın örtüşme zamanına göre analizi yapılacaktır. Rüzgâr enerjisi dönüşüm

sistemleri ile ilgili çalışmalar türbinin mekanik yapısı, enerji dönüşüm sisteminde

kullanılan elemanlar ve verimin artırılmasına yönelik çalışmalar olarak

bölümlenebilir. Rüzgâr türbinlerinde kullanılan alternatörlerin yapısı ve farklı sürücü

devrelerin çıkış gerilimine etkisi verimi etkileyen bir faktördür [20]. Değişik rüzgar

hızlarında çalışan sistemlerinin verimini artırabilmek içinse, yapay sinir ağları ve

fuzzy gibi birkaç yöntem kullanılarak sisteme bağlanan konvertör ve eviricilerin

çalışma düzenekleri üzerinde çalışmalar yapılmıştır [21-23]. Aşırı rüzgâr hızlarında

veya sistemin yük miktarının rüzgâr türbininin karşılayabileceğinden yüksek olması

durumlarında, sistemleri korumak için yapılan koruma devreleri ve programlar da

4

rüzgâr enerjisi dönüşüm sistemleri için önemli bir konudur [24]. Ayrıca rüzgar

türbinlerinin şebekeye bağlantıları ve şebeke üzerindeki etkileri üzerine pek çok

çalışma mevcuttur [25-27].

Bu çalışmada ise 2,5 kW gücünde bir rüzgâr türbini ile bu türbine ait doğrultucu,

konvertör ve eviricinin yapısı, çalışması ve verimi üzerine deneyler yapılmıştır.

Rüzgâr türbininin şebekeye bağlanabilmesi için gerekli elektronik devreler ve

maksimum güç takibi işlemini en verimli şekilde yapabilmesini sağlamak için de bir

yükseltici konvertör ve bu konvertöre ait mikroişlemci programı tasarlanmış ve

uygulamaları yapılmıştır. Ayrıca, literatürdeki diğer çalışmalara ilave olarak, aşırı

rüzgâr hızlarında ve yüksek gerilim değerlerinde, türbini, konvertör ve eviriciyi

koruma altına alacak devreler tasarlanmıştır.

Uygulamada birden fazla enerji kaynağının bir araya getirildiği sistemlere hibrit

sistem adı verilir. Hibrit sistemlerdeki amaç, enerji kaynaklarının birlikte kullanımını

sağlayarak hem verimi artırmak hem de kaynaklardan birinin olmaması veya

azalması durumunda diğerlerinin sistemin enerji ihtiyacını karşılamasını

sağlayabilmektir. Hibrit sistem bileşenleri iki veya daha fazla kaynağın bir araya

getirilmesiyle oluşturulabilir. Örneğin güneş, rüzgâr, dizel veya güneş, fuel cell

(yakıt pili), rüzgâr veya güneş, rüzgâr, hidrojen gibi enerji kaynaklarının bir araya

getirildiği hibrit enerji sistemi uygulamaları mevcuttur [28]. Bu tür uygulamalarda

kaynak sayısını ve kaynağın tipini belirleyen en önemli faktörler, enerji üretilecek

bölgede kaynağın yeterli düzeyde olması ve bazı enerji türlerinde de sistemi bir araya

getirmek için yeterli düzeyde teknolojinin mevcut olmasıdır. Hidrojen, biokütle ve

fuel cell gibi enerji kaynakları buna örnektir.

Hibrit enerji sistemlerinin bir diğer uygulama alanı ise elde edilen enerjinin

depolanabilmesini sağlamak amaçlı kullanımdır [29]. Hidrojen enerjisinin diğer

enerji türleriyle bir araya getirildiği uygulamalar buna örnektir. Literatürde hibrit

enerji sistemleri üzerine pek çok çalışma mevcuttur [30-33]. Bu uygulamalarda

sistemlerin kontrolü ve veriminin artırılması en çok işlenen konular arasındadır.

Verimi artırmaya yönelik çalışmalarda, fuzzy, yapay sinir ağları, mikroişlemci

5

kontrollü modelleme gibi konular kullanılırken, özellikle hibrit sistemler aracılığıyla

elektrik enerjisi üretilen uygulamalarda şebekeye bağlantı önemli bir uygulama alanı

olarak karşımıza çıkmaktadır [34–37]. Şebekeye bağlantılı sistemlere ilave olarak

tek başına akü gruplarıyla çalışan veya şebeke bağımsız hibrit sistem uygulamaları

da mevcuttur [38, 39]. Hibrit sistemlerin güç kalitelerinin artırılması ve kalıcı durum

performanslarının incelenmesi konusu da önemli bir konu olarak karşımıza

çıkmaktadır [40, 41].

Bu tez çalışmasında, güneş ve rüzgâr enerjilerinin bir araya getirildiği hibrit bir

sistem oluşturulmuştur. Burada amaç güneş veya rüzgârın herhangi birinin olmadığı

veya ikisinin birlikte yükü besleyecek düzeyde olmadığı durumlarda, yükün akü

grubu tarafından beslenmesini ve enerjinin ihtiyaçtan fazla olduğu durumlarda ise,

kullanılmayan enerjinin şebekeye aktarılmasını sağlamaktır. Enerji üretimi için,

güneş ve rüzgârın birlikte olabileceği bir bölge belirlenmiştir. Bu alanda, aynı

zamanda gerçek anlamda bir alıcı (yük) bulunmaktadır. Deneysel olarak yapılacak

olan çalışmada; akım, gerilim ve güçler gün, ay ve yıl bazında veri kayıt sistemi

yardımıyla sürekli olarak kaydedilmektedir. Rüzgâr santrali ve güneş

kollektörlerinden elde edilen DA gerilimler, tasarlanan iki boost konvertör

yardımıyla sabit gerilimli bir barada toplanmaktadır. Bu DA gerilimden ihtiyaç

halinde aküler şarj olmakta, aynı zamanda evirici yardımıyla elde edilecek olan AA

gerilimden alıcılar beslenmekte ve şebekeye enerji transferi gerçekleştirilmektedir.

Akülerin şarjı ve lokal alıcıların beslenmesi öncelikli olan uygulamadır. Hibrit

kaynaklardan gelecek olan enerjinin azalması durumunda ise, şebekeye enerji

transferi durdurularak sadece aküler şarj edilmektedir. Depolanmış olan enerji

miktarı ve yüke göre kullanım süreleri hesaplanarak (back up time), kullanıcıya bilgi

verilmesi amaçlanmaktadır. Tez çalışması genel olarak üç aşamada

gerçekleştirilmiştir. İlk aşamada kaynaklardan gelen DA gerilimin depolanması,

evirici girişine uygun hale getirilmesi ile ilgili devrelerin tasarımı ve uygulaması

yapılmıştır. İkinci aşamada rüzgâr jeneratörü ve güneş panellerinin mekanik

kısımları oluşturulup, alan araştırması sonucunda belirlenmiş olan yere sistem

kurulmuştur. Son aşamada oluşturulan bütün sistem parçalarının birbiriyle tam uyum

6

içinde çalışması için gerekli programlama, bağlantı ve veri toplama işlemleri

yapılmaktadır.

Rüzgâr ve güneş enerjilerinin birlikte kullanımı ile oluşturulan hibrit sistemlere dair

yurtdışında pek çok uygulama bulunmaktadır. Ancak ülkemizde henüz bu konudaki

uygulamalar azdır. Ayrıca yapılan pek çok güneş ve rüzgâr enerjisi uygulamasında

bir sistem oluşturulup sistemin belirli bir bölgedeki ölçüm değerleri çalışmaların

konusu olmuştur [42–46].

Tasarlanıp uygulanan sistemde ise, ölçüm değerlerinden çok, hibrit sistemin

bağımsız çalışabilmesi, üçüncü bir dizel veya herhangi bir kaynağa ihtiyaç

duymaması ve eğer depoladığı enerji ihtiyaçtan fazla ise, enerjiyi şebekeye verip bir

anlamda satıcı konumunda olması amaçlanmaktadır. Ayrıca ülkemizde uygulaması

henüz yaygın olmayan sistemin minimum maliyet ve maksimum verimle

çalışabilmesi için gerekli olan testler yapılacaktır.

7

2. ENERJİ KAYNAKLARI

Enerji kaynakları, niteliklerinin değiştirilip değiştirilmemesi açısından “birincil” ve

“ikincil enerji kaynakları” olarak ikiye ayrılmaktadır. Birincil enerji kaynakları,

doğada bulundukları biçimde değiştirilmeden kullanılabilen kaynaklardır. Örneğin;

taşkömürü, linyit, petrol, doğalgaz, jeotermal enerji, hidrolik enerji, güneş enerjisi,

odun, hayvan ve bitki atıkları bu tür enerji kaynaklarıdır. İkincil enerji kaynakları ise,

birincil kaynakların çeşitli işlemlerden geçirilmesi ile elde edilen enerji türleridir.

Örneğin; elektrik enerjisi, motorin, benzin, fueloil, gazyağı vb. bu tür enerji

kaynaklarıdır.

Birleşmiş Milletler ise enerji kaynaklarını, “yenilenebilir” ve “yenilenemez enerji

kaynakları” olmak üzere iki ana grupta toplamaktadır. Yenilenebilir enerji

kaynakları; güneş, rüzgâr, biokütle, su gücü, dalga gücü, okyanus akıntıları,

jeotermal enerjidir. Yenilenemez enerji kaynakları, maddenin tekrar

kullanılamayacağı bir enerji kaynağı olarak tanımlanır. Böylece kömür, petrol,

doğalgaz ve uranyum bu grup içinde yer almaktadır.

2.1. Dünya Enerji Sektörünün Gelişimi

2.1.1. Dünyanın kaynak varlığı

Enerjinin verimli kullanımı ve ülkelerin gelişimlerindeki payı önemli ölçüde enerji

kaynaklarının yeterliliğine bağlıdır. Yirmi birinci yüzyıl ortalarına kadar, Dünya

enerji talebinin büyük bir kısmı fosil yakıtlardan karşılayacaktır. Dünya üzerindeki

fosil yakıt rezervleri ve 2005 yılı itibariyle petrol, doğal gaz ve kömür rezervlerinin

kullanılabilme süreleri sırasıyla Şekil 2.1 ve Şekil 2.2’ de verilmektedir [47].

Grafiklerden de görüldüğü gibi mevcut enerji kaynaklarının kapasitesi, sabit büyüme

hızı ile çok uzun sürelerde yeterli olmayacaktır. Birde ülkelerin ve enerji harcayan

sektörlerin büyüme hızları tahmin edilenden fazla olduğu takdirde, gelecekte büyük

enerji sıkıntıları yaşanılması kaçınılmazdır.

8

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Kuzey Amerika Orta ve GüneyAmerika

Avrupa Eski SSCBÜlkeleri

Ortadoğu Afrika Asya veOkyanusya

Petrol (Milyar Ton) Doğal Gaz (Triyon m3) Taşkömürü (Milyar Ton) Linyit (Milyar Ton)

Şekil 2.1. Dünya fosil yakıt rezervleri (Haziran, 2005)

Şekil 2.2’ye göre Dünya genelinde mevcut kömür rezervleri 230 yıl, doğalgaz

rezervleri 62 yıl, petrol rezervleri 41 yıl daha geleceğin enerji talebini

karşılayabilecek miktardadır. Bu rakamlar sabit büyüme hızları göz önünde tutularak

alınmış tahmini değerlerdir. Fosil yakıtlı ürünlerin geri dönüşüm gibi bir durumları

olmadıkları için belirtilen süreler sonunda dünyayı önemli enerji sıkıntıları

beklemektedir.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

KuzeyAmerika

Orta veGüney

Amerika

Avrupa Eski SSCBÜlkeleri

Orta Doğu Afrika Asya veOkyanusya

Petrol Doğalgaz Kömür

Şekil 2.2. Dünya fosil yakıtları rezervlerinin kullanılabilme süreleri

9

2.1.2. Dünyadaki enerji ihtiyacı

Dünyanın enerji tüketimi son yirmi yıl içerisinde beklenenden %57 daha fazla

artmıştır [48]. Şekil 2.3’de dünyada hızla büyüyen küresel enerji ihtiyacına ilişkin

bilgiler verilmiştir. Burada geçmiş otuz yılın tüketim bilgileri ve gelecek yirmi yılın

tahmin edilen tüketim değerleri verilmiştir. Burada açıkça görülmektedir ki dünya

enerji ihtiyacının büyük bir kısmı (yaklaşık %86) fosil yakıtlardan elde edilmektedir.

0

10

20

30

40

50

60

1980 1990 2000 2005 2010 2020 2030

Doğalgaz

Petrol

Nükleer

Kömür

Yenilenebilir

Hydropower

PlanlananGeçmiş

quadrillion Btu

Şekil 2.3. Dünya enerji tüketimi (1980-2030)

Gelecekte ülkelerin ve küresel ekonomilerin hızla büyüyebilmesi için ülkelerin enerji

ihtiyaçlarının ve tüketimlerinin de aynı hızda büyümesi gerektiği bilinen bir

gerçektir. Fosil yakıtlar dünyanın her bölgesinde bulunmamakla birlikte yakıtların

çıkarıldıkları bölgelerdeki siyasi ve ekonomik sıkıntılar bütün dünyayı

etkilemektedir. Ayrıca geleneksel enerji kaynaklarından günümüz teknolojileri ile

elektrik üretimi sırasında ciddi çevre kirliliği sorunları meydana gelmektedir. Bu

sebeple bütün dünyada yeni ve temiz enerji türlerine olan ilgi ve araştırmalar hızla

artmaktadır.

10

EIA (Energy Information and Administration) kurumu tarafından oluşturulan

istatistiksel bilgiler doğrultusunda Dünyanın toplam enerji üretim ve tüketimine dair

eğriler Şekil 2.4’te verilmiştir.

0

20

40

60

80

100

120

140

1980 1990 2000 2005 2010 2020 2030

Üretim açığı

Tüketim

Üretim

PlanlananGeçmiş

quadrilyon Btu

Şekil 2.4. Dünya enerji üretim ve tüketim değerleri

Eğriden de görüldüğü gibi gelecek 20-30 yıl süresinde dünyanın ürettiği enerji talep

edilen ve tüketilen enerji miktarını karşılamayacaktır. Ortaya çıkan enerji açığını

azaltmak için ya enerji kullanımında kısıtlamalara gidilmeli veya alternatif enerji

kaynakları üzerindeki çalışmalar daha da arttırılarak ilerletilmelidir.

2.2. Türkiye deki Enerji Üretim ve Tüketimi

Ülkemiz, Enerji ve Tabii Kaynaklar bakanlığı verilerine göre 2005 yılı itibariyle

birincil enerji kaynaklarından 25 185 BinTEP enerji üretmiş, 91 576 BinTEP enerji

tüketmiştir. Tüketilen enerji ile üretilen arasındaki fark ithal edilen enerjiyi

göstermektedir. Bu değer ise 66 391 BinTEP’dir. Türkiye tükettiği genel enerjinin

%70'ini dış kaynaklardan sağlayan bir ülkedir. Yani ihtiyacı olan enerjinin yarıdan

fazlasını ithal etmektedir. Bu da enerji konusunda ülkemizin dışa bağımlı olduğunun

11

çok açık bir göstergesidir. Türkiye’nin 2005 yılına kadar olan yıllık enerji üretim ve

tüketimine ilişkin grafik Şekil 2.5’te verilmiştir. DPT tarafından yapılan çalışmalara

göre 2010 yılına kadar ülkemizdeki hızlı sanayileşme nedeni ile yıllık enerji

ihtiyacımız 60 GW civarında olacaktır.

0

20

40

60

80

100

120

140

1975

1977

1979

1981

1983

1985

1987

1989

1991

1993

1995

1997

1999

2001

2003

2005

Tüketim

Üretim

İthal Edilen Enerji

BinMW

Şekil 2.5. Türkiye’nin yıllara göre enerji üretim ve tüketimi

Sadece bu rakamlar bile ülkemizde enerji kapasitesinin alternatifli olarak

geliştirilmesini ve enerjinin tasarruflu kullanılmasının önemini açıkça ortaya

koymaktadır. Bununla birlikte enerji taleplerinin karşılanmasında, yerli/ithal kaynak

oranı, enerji güvenliği, dünya enerji piyasalarındaki arz gelişmeleri ve ekonomikliği

göz önüne alınarak optimize edilmelidir. Türkiye’nin sahip olduğu birincil enerji

kaynaklarının %50'sini çok düşük ısıl değerli ve yüksek küllü linyitler

oluşturmaktadır. 30 000 MW'lık ekonomik hidrolik enerji kapasitesi bulunmaktadır.

Bunun yaklaşık 12 000 MW'ı mevcut santrallerle üretilmektedir. 10 000 MW'ı da

2010 yılına kadar inşa halindeki santraller tarafından üretime dönüştürülmüş

olacaktır. Kalan 8000 MW’lık kapasitenin de 2020 yılına kadar kullanılması

planlanmıştır.

12

Petrol ve doğal gaz varlığı açısından Türkiye, bugüne kadar sınırlı kaynaklarla

yapılan çalışmalar çerçevesinde, geçirdiği jeolojik evrim nedeniyle yeterli

hidrokarbon potansiyeline sahip görünmüyorsa da, stratejik hammadde oldukları

düşünülerek, yurt içi arama faaliyetlerinin batı Karadeniz (Zonguldak-Varna-

Köstence) üçgeni başta olmak üzere sistematik bir yaklaşımla arttırılarak devam

ettirilmesi gereklidir. Nükleer enerji hammaddeleri açısından Dünyadaki uranyum

rezerv, üretim ve tüketim durumlarına ve nükleer enerji kullanım trendine bakılacak

olursa, bilinen rezervin 2000'li yılların ilk çeyreğinde, hatta daha sonrası için yeterli

olduğu görülecektir. Ancak gelecek yıllardaki üretim ve tüketim denge tahminlerine

bakıldığında, tüketimin üretimden daha fazla olacağı, hatta 2010–2015 yıllarına

gelindiğinde bu açığın ciddi boyutlara ulaşacağı görülmektedir. Açığın bir kısmı

eldeki stoklardan karşılansa dahi, 2010 yılından sonra olası bir krize girilmemesi için

planlanan yeni üretim tesislerinin devreye girmesi gereklidir. Bu nedenledir ki, pek

çok ülke, hammadde aramalarına büyük bir hızla devam etmektedir. 1970'li yıllarda,

ülkemiz ileriye yönelik enerji planlarında, nükleer güç santrallerinden de

yararlanılması öngörülmüştür. Ancak bu konudaki çalışmalar henüz bir sonuca

ulaştırılamamıştır. Daha önce de değinildiği üzere, hızlı bir sanayileşme süreci içinde

olan ülkemizde zorunlu olarak elektrik talebi artmaktadır. Bu nedenle uluslararası

piyasalardaki talep artışları da göz önünde tutularak uranyum rezervlerinin kısa

sürede belirlenmesi için aramalara yeniden başlanması gerekmektedir. Türkiye'de

önemli bir potansiyele sahip jeotermal enerjinin gelişimini hızlandıracak çalışmalar

artarak devam etmektedir. Jeotermal alanların kullanım imkanlarının belirlenerek

entegre tesisler halinde planlanması ve bu suretle en yüksek katma değerin

yaratılması teşvik edilmelidir.

2.3. Dünyada ve Türkiye’deki Elektrik Üretimi ve İhtiyacı

Dünyanın elektrik ihtiyacı 2025 yılına kadar %50 den fazla artacaktır [48]. Ancak

elektrik üretim kapasitesi ise bu kadar hızlı büyümemektedir. Bu durum ise enerji

ihtiyacının karşılanamaması ve enerji sıkıntılarının yaşanmasına neden olacaktır.

Dünyada elektrik üretimi için kullanılan kaynakların yıllara göre dağılımı ve 1980–

2030 yılları arasında tahmin edilen elektrik enerjisi talep artışı Şekil 2.6’da

13

verilmiştir. Türkiye’nin elektrik üretimi ve ihtiyacı ise gelişmekte olan ülkeler

sınıfında değerlendirilmekle beraber, gelecek yirmi yılda üretimin ihtiyacı ve

tüketimi karşılayamayacağı belirtilmektedir. Ülkemiz içinde yeni enerji

kaynaklarının kullanımı kaçınılmaz bir gerekliliktir. Gelecekteki enerji ihtiyacının

elektrik üretim kapasitesine göre daha fazla olacağı tahmin edilmektedir. Dünya

üzerinde kurulu olan elektrik üretim tesislerinde elde edilen enerji 2003 yılı itibariyle

3 626 GWatt (gigawatt) olmakla beraber, bu rakamın 2025 yılında yıllık 2,2 büyüme

oranı tahmini ile 5,495 GWatt olacağı tahin edilmektedir [48]. Dünya üzerindeki

hızlı büyüme kapasitesine sahip ülkelerin (örneğin Çin, Hindistan) enerji ihtiyaçları

tahmin edilenden fazla olmaktadır. Bu durum ise enerji ihtiyacının gün geçtikçe

artmasına neden olmaktadır.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

1980 1990 2000 2005 2010 2020 2030

Petrol

Yenilenebilir

Kömür

Doğal gaz

Nükleer

1980 2030

Elektrik Talebi

2,094

5,478 PlanlananGeçmiş

milyon kilowattsaat

Şekil 2.6. Dünyada elektrik üretiminde kullanılan kaynaklar ve talep artışı

Türkiye'deki yaklaşık 28 500 MW’lık Kurulu gücün 16 500 MW'ını fosil yakıtlı

termik santraller (bunlara doğal gaz santralleri da dahil) 12 000 MW'ını ise hidrolik

santraller oluşturmaktadır. Fosil yakıtlı santrallerin 7000 MW'ını doğal gaz yakan

kombine çevrim santralleri ve Kojenerasyon Tesisleri oluşturmaktadır. Türkiye'de

kişi başına düşen net elektrik tüketimi 1450 kWh civarındadır. Bu rakam AB ülkeleri

14

ortalaması olarak 7000 kWh, Rusya’da 6000 kWh, İspanya'da 4000 kWh ve

komşumuz Yunanistan'da 3800 kWh'tır. Dünya elektrik tüketimi ortalaması ise 2376

kWh'tır. Türkiye’de elektrik enerjisi üretiminde kullanılan kaynakların kullanım

oranlarına ilişkin grafik Şekil 2.7’de verilmiştir.

Hidrolik% 22.41

LPG, Nafta ve Diğer

% 1.37

Taşkömürü% 8.68

Motorin% 0.01

Doğalgaz

% 44.44

Linyit% 19.93

Fuel-Oil

% 3.06

Rüzgar% 0.10

Şekil 2.7. Türkiye için elektrik üretiminde kullanılan kaynak oranları

Verilen daire diyagramından da anlaşılacağı gibi 2006 yılı itibariyle Türkiye elektrik

üretiminin yaklaşık %45’i doğalgazdan elde edilmektedir. Bu durumda büyük oranda

dışa bağımlı bir enerji üretim sektörümüzün olduğunu göstermektedir. Gelişmişlik ve

kalkınmışlığın en önemli göstergesi olan elektrik tüketimimiz dünya ortalamasının

bile altındadır. Geliştirilecek uygun politikalar ve sistematik bir yaklaşımla, kişi

başına enerji tüketimimiz arttırılmalıdır.

Türkiye’de elektrik santrallerinin 1993 yılı itibariyle 20 337 GWh olan toplam kurulu

gücü 2004 yılında 36 824 GWh’a ulaşmıştır [50]. Ülkemizde üretilen elektriğin 2005

yılı itibariyle, üretilen kaynaklara göre dağılımı Çizelge 2.1’de verilmiştir.

Çizelge 2.1. Üretim türüne göre dönemsel brüt elektrik enerjisi üretimi, 2005 (Gwh)

Üretim Tipi I. Dönem II. Dönem III. Dönem IV. Dönem Termik 29.890 27.549 32.350 32.477 Rüzgar 16.4 11.5 11.2 17.5

Hidrolik 9.595 10.663 10.038 9.360 Toplam 39.502 38.224 42.400 41.854

15

Elektrik enerjisi üretimi 2006 yılı I. döneminde, bir önceki yılın aynı dönemine göre

%7.31 oranında artarak 42 390 GWh olarak gerçekleşmiştir.

2006 yılı I. döneminde elektrik enerjisinin %47,11’i Elektrik Üretim A.S. (EÜAS) ve

EÜAS’a bağlı ortaklıklar, %43,28’i üretim şirketleri ve %9,61’i otoprodüktörler

tarafından gerçekleştirilmiştir. Elektrik üretimi bir önceki yılın aynı dönemine göre

EÜAS ve EÜAS’a bağlı ortaklıklarda %13,44 artmış, üretim şirketlerinde %6,11

artmış, otoprodüktörlerde ise %11,63 oranında azalmıştır [50].

Türkiye’deki elektrik tüketimi ise, 2006 yılı I. döneminde bir önceki yılın aynı

dönemine göre %9,33 artarak 30 499 GWh olarak gerçekleşmiştir. Elektrik

enerjisinin %41,47’si sanayide, %27,54’ü meskenlerde, %14,61’i ticarethanelerde,

%4,75’i resmi dairelerde, %2,35’i sokak aydınlatmasında, %1,54’ü şantiyelerde,

%0,53’ü tarımsal sulamada ve %7,21’i ise diğer ve doğrudan satışlar olarak

tüketilmiştir [50].

Türkiye'de bu yıl 173,1 milyar kilovat saat (kWh) elektrik üretimi, 171,4 milyar kWh

da elektrik tüketimi olacağı tahmin edilmektedir. Türkiye Elektrik iletim Anonim

Şirketi (TEİAS) verilerine göre; bu yıl 134 milyar kWh'si termik kaynaklardan, 39

milyar kWh'si hidrolik, 0,1 milyar kWh'si de rüzgâr kaynaklarından olmak üzere

toplam 173,1 milyar kWh elektrik üretimi, 0,7 milyar kWh da elektrik ithalatı

planlanmaktadır.

2.4. Alternatif Enerji Kaynaklarının Kullanımı

Dünya üzerinde artan enerji ihtiyacını karşılayabilmek için alternatif enerjilerin

kullanımı üzerine çalışmalar hızla devam etmektedir. Ancak enerji tüketimi ve

üretimi arsındaki açığı alternatif enerjilerle karşılayabilmek şu an için imkânsız

görünmektedir. Dünya’da hidroelektrik olmayan yenilenebilir enerji kaynaklarının

kullanımına ilişkin grafik Şekil 2.8’de verilmiştir. Şekilde görüldüğü gibi gelecek 20

yıl için tahmin edilen üretim değerleri de verilmiştir.

16

0

50

100

150

200

2005 2010 2020 2030

JeotermalGüneş

Rüzgar

Biokütle

MSW/Gaz

milyon kilowattsaat

Şekil 2.8. Dünyada yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı

Yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı başta Avrupa birliği ülkeleri olmak

üzere A.B.D.’de ve Asya ülkelerinde giderek artmaktadır. Almanya’da ve birçok

Avrupa ülkesinde elektrik üretiminin yenilenebilir kaynaklardan üretilmesinin

özendirilmesi amaçlı kanunlar ve yönetmelikler çıkartılmıştır. Bu kanunlar uyarınca

kişisel kullanıcıların, enerjilerini kendileri yenilenebilir kaynaklarından üretmeleri

durumunda devlet üreticilerden vergi indirimi sağlamakta ve kurulacak tesisin belirli

oranlarda maliyetini desteklemektedir.

Dünyada 2006 yılı itibariyle yenilenebilir kaynaklardan üretilen enerji yaklaşık 85

milyon kWh olarak belirtilmiştir [48]. Bu oranın devlet politikaları ve kullanıcıları

özendirici çalışmalar ile gelecekte tahminlerden daha hızlı artması beklenmektedir.

Dünya üzerindeki toplam kurulu rüzgâr gücü 2005 yılı verileriyle 52 322 MW olup,

bu değer bir önceki yıla göre % 11 artış sağlamıştır. Dünyanın 2005 yılından sonra

yenilenebilir enerji kaynaklarından elektrik üretimine ilişkin eğri Şekil 2.9’da

verilmiştir.

17

0

50

100

150

200

250

2005 2010 2015 2020 2025 2030

Referans

Bölgesel RPS

milyon kilowattsaat

Şekil 2.9. Dünya’nın elektrik üretiminde yenilenebilir kaynak kullanım değerleri

Türkiye’de yenilenebilir enerji kullanımı ise henüz toplam enerji üretiminin %1’i

kadardır. Bu miktarın artırılması için yasal düzenlemelerin ve üreticileri özendirici

çalışmaların hızlandırılması gerekmektedir. Güneş enerjisi dönüşüm sistemleri için

gerekli güneş panellerinin üretimleri henüz ülkemizde yapılamadığı için sistem

maliyeti yüksek olmaktadır. Ancak yinede reklâm panoları, sokak aydınlatmaları,

trafik lambaları gibi pek çok uygulamada kullanılmaktadır. Türkiye’nin günlük ve

aylık güneşlenme değerleri, güneş enerjisi kullanan pek çok ülkenin değerlerinden

yüksektir. Türkiye’de aylık olarak güneşlenmeye ve güneş potansiyeline ait değerler

Şekil 2.10’da verilmiştir. Bu değerler ışığında ülkemizde güneş enerjisi dönüşüm

sistemlerinin kullanımının artırılması hem ülke ekonomisi için hem de enerji

kaynaklarının verimli tüketilmesi açısından büyük faydalar sağlayacaktır.

18

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

140,0

160,0

180,0

200,0

1 2 3 4 6 7 8 9 10 11 12

kWh/

m2 g

ün

AR

AL

IK

OC

AK

Ş UB

AT

NİS

AN

MA

YIS

TE

MM

UZ

AĞ

UST

OS

MA

RT

EY

LÜ

L

KA

SIM

EKİM

ay

103115

165

197

273325 365

343

280

214

153103

Güneşlenme süresiSaat/ay

2 g

ün

Ş

HA

ZİR

AN

ay

Şekil 2.10. Türkiye’nin aylık ortalama güneş enerjisi potansiyeli ve güneşlenme

süresi

Türkiye'nin enerji üretiminin 1/3'lük bölümü hidrolik kaynaklardan, barajlardan,

akarsulardan sağlanmaktadır. Son dönemlerdeki kuraklık sonucunda bu

kaynaklardan yeterli miktarda enerji üretilememiştir. Bunun sonucunda ortaya çıkan

enerji açığı Bulgaristan ve Gürcistan'dan enerji ithal etmek suretiyle kapatılmaya

çalışılmaktadır. Ayrıca kurulacak olan termik santraller için gerekli yakıt da dış

ülkelerden sağlanmaktadır. Gerek bu gün içinde bulunduğumuz durum, gerekse

gelecekte enerji ithalinde doğabilecek sorunlar göz önünde bulundurulduğunda,

ihtiyacımız olan enerjinin kendi kaynaklarımızdan karşılanması bir zorunluluk haline

gelmiştir. T.C. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığının (ETKB) 2005 yılı verilerine

göre doğal kaynaklarımız arasında güneş enerjisi 35,2 Milyon Tep/Yıl (1 Tep = 1

ton eşdeğer petrol) olan miktarıyla çok önemli bir yer tutmaktadır. Ülkemizde

güneş enerjisinden faydalanma konusunda özellikle düşük sıcaklık

uygulamalarında, kurutma, su ve mekân ısıtmayla ilgili teknolojilerde büyük

başarılara ulaşılmıştır. Buna karşın yüksek sıcaklık ve elektrik enerjisi üretimi

konusunda çalışmaların yapılması ve güneş enerjisi teknolojilerinin yaygın olarak

kullanımının sağlanması gerekmektedir.

19

Güneş çok büyük bir enerji kaynağı olmasına rağmen güneş enerjisi kullanımında

çeşitli sorunlarla karşılaşılmaktadır. Bunlardan en önemlisi, güneş ışıması şiddetinin

zamana ve iklim şartlarına çok fazla miktarda bağlı olmasıdır. Endüstriyel kullanım

için tasarlanacak olan sistemlerde güneş ışıması şiddetinin bilinmesi gerekmektedir.

Bu nedenle birçok araştırma yapılmış ve güneş ışıma şiddetinin belirlenmesinde

kullanılacak korelasyonlar elde edilmeye çalışılmıştır. Ülkemizde güneş ışınımı

ölçümleri Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü ve Elektrik İşleri Etüd İdaresi

tarafından yapılmaktadır.

1992–1997 yılları arasında Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü ve Elektrik

İşleri Etüd İdaresi tarafından bazı istasyonlarda yapılan güneş ışınımı ölçümleri

incelenmiş, güneş ışınımı verilerinin olmadığı yerleşim merkezlerinde yatay yüzeye

gelen güneş ışınımının hesaplanmasında kullanılan korelasyonları özetlenerek

korelasyonlar ile hesaplanan değerlerle ölçüm sonuçlarını kıyaslanmıştır [50].

Güneş enerjisi kullanımındaki bir diğer sorun ise güneş akısının endüstriyel kullanım

için düşük miktarlarda olmasıdır. Güneş enerjisini daha yoğun hale getirebilmek ve

kullanılabilirliğini sağlamak için birçok araştırma yapılmış ve çeşitli sistemler

(kollektörler) geliştirilmiştir [51]. Bu sistemler güneş akısını bir bölgede odaklamak için

yansıtıcı yüzeyler kullanmaktadırlar. Odak bölgesinde ise iş akışkanını taşıyan bir

alıcı bulunmaktadır. Amerikan Enerji Bakanlığı, enerji verimliliği ve yenilenebilir enerji

şebekesi tarafından yapılan araştırmada enerji üretimi için kullanılabilecek olan

teknolojiler incelenmiştir. Bu teknolojiler arasında, düz parabolik kolektörleri ve

çanak şeklindeki parabolik kollektörleri kullanan teknolojiler, yapılarda

kullanılabilirliği olan teknolojilerdir.

Rüzgâr enerjisi ise daha düşük kurulum maliyeti ve yap-işlet-devret mantığı ile

kurulacak olan tesislerde ülkemiz için artan enerji talebini bir miktarda olsa karşılayacak

düzeye gelmektedir. Türkiye'nin teknik rüzgâr enerjisi potansiyeli 166

Terrawatsaat/yıl olup, bu değer 2001 yılındaki tüm elektrik tüketiminden fazladır

(130 TWs/yıl). Türkiye de rüzgâr enerjisi kullanımının artırılmasına yönelik olarak,

Türkiye rüzgâr haritası çıkarılmış ve bölgelere göre kurulabilecek tesislerin

20

değerlendirilmesi yapılmıştır. Harita 2.1’de 30 metre yükseklik değeri içim Türkiye

rüzgâr haritası verilmiştir.

Harita 2.1. Türkiye rüzgâr haritası (30 m yükseklik için)

Şu an için ülkemizin rüzgâr kurulu gücü ancak 19 MW seviyesindedir. Kurulu rüzgâr

gücünün artırılması için gerekli lisans ve üretim çalışmaları son birkaç yılda

hızlanmıştır. Rüzgâr enerjisi üretimi amacıyla kurulan ve inşa aşamasında olan

tesislere ait tablo Çizelge 2.2’de verilmiştir.

Yenilenebilir enerji kaynaklarının daha verimli kullanımına yönelik kanuni

düzenlemeler ve teşvik edici çalışmaların artırılması ülkemizin gelecekte

karşılaşacağı enerji darboğazlarından daha az zarar görmesini sağlayacaktır. Bu

amaca yönelik olarak bir veya daha fazla yenilenebilir enerji kaynağının bir arada

kullanıldığı enerji sistemleri üzerine çalışmalar yapılmalı ve elde edilen enerjinin

hem verimli bir şekilde kullanımı, hem de depolanabilmesi sağlanmalıdır.

21

Çizelge 2.2. Türkiye’de kurulu ve inşa halindeki Rüzgâr enerjisi tesisleri Mevkii Şirket Üretime Geçiş

Tarihi Kurulu Güç (MW)

Yıllık devreye alınan kapasite toplamı (MW)

Hali hazırdaki Türkiye Kurulu gücü (MW)

İzmir-Çeşme Demirer A.Ş. 1998 1,50

İzmir-Çeşme Güçbirliği A.Ş. 1998 7,20

8,70

Çanakkale-

Bozcaada Demirer-

Enercon 2000 10,20 10,20

İstanbul-

Hadımköy Sunjüt A.Ş. 2003 1,20 1,20

Balıkesir-

Bandırma Bares A.Ş. I/2006 30,00

İstanbul-Silivri Ertürk A.Ş. II/2006 0,85

30,85

İzmir-Çeşme Mare A.Ş. I/2007 39,20 Manisa-Akhisar Deniz A.Ş. I/2007 10,80

Çanakkale-

İntepe Anemon A.Ş. I/2007 30,40

131,35

Çanakkale-Gelibolu

Doğal A.Ş. II/2007 15,20

Manisa-Sayalar Doğal A.Ş. II/2007 30,40 Hatay-Samandağ Deniz A.Ş. II/2007 30,00

156,00

İstanbul-

Gaziosmanpaşa Lodos A.Ş. I/2008 24,00

İzmir-Aliağa İnnores A.Ş. I/2008 42,50 Aydın-Çine Sabaş A.Ş. I/2008 19,50

İstanbul-Çatalca Ertürk A.Ş. I/2008 60,00 Çanakkale As Makinsan

Temiz A.Ş. II/2008 30,00

İzmir-Kemalpaşa Ak-El A.Ş. II/2008 66,66 Hatay-Samandağ Ezse Ltd. Şti. II/2008 35,00 Hatay-Samandağ Ezse Ltd. Şti. II/2008 22,50 Balıkesir-Şamlı Baki A.Ş. II/2008 90,00

Balıkesir-Bandırma

Bangüç A.Ş. II/2008 15,00

405,16

Osmaniye-Bahçe Rotor A.Ş. I/2009 130,00 130,00 TOPLAM 742,11

*İtalik karakterle yazılan santraller aktif haldedir.

Tabloda yazılı olan tesislerden italik yazılı olanlar şu an için aktif olan enerji

santralleridir. Diğer santrallerin bitirilme tarihleri de tabloda belirtilmiştir.

22

3. GÜNEŞ ENERJİSİ DÖNÜŞÜM SİSTEMİ

3.1. Güneş Enerjisinden Yararlanmanın Gelişimi ve Güneş Enerjisi

Endüstrileşmenin başlangıcıyla birlikte güneş bir enerji kaynağı olarak görülmeye

başlanmıştır. Güneş enerjisi ile ilgili araştırmalar; güneşin yaydığı enerjinin

gerçekten çok büyük olduğunu ortaya koymuştur. Aslında bugünkü endüstriyel

büyümeyi; biyolojik organizmaların milyonlarca yıldır kullanmış olduğu güneş

enerjisine borçluyuz. Hidroelektrik, rüzgâr ve dalga gücü gibi yenilenebilir diğer

enerji kaynaklarının çoğu da güçlerinin güneşten alırlar. Güneşin bir enerji kaynağı

olarak görülmeye başlaması görüşü, fosillerden elde edilen enerjinin, dünyayı

kirlettiğinin anlaşılmasıyla birlikte daha da önem kazanmıştır. Güneş kollektörlerini

kullanarak, kullanım suyunu arzu edilen sıcaklıkta ısıtabilir, güneş pilleri sayesinde

yılın her ayı istenilen yerde istenildiği kadar elektrik elde edilebilir.

Güneş enerjisi yoğunluğunun, yaz, kış, gece, gündüz ve hatta günün değişik

saatlerinde belirli bir bölgede farklı olması nedeniyle güneş enerjisinden başlıca dört

farklı şekilde yararlanmak mümkün görünmektedir. Bunlar sırasıyla; güneşin ısı

etkisinden (yeryüzünü ısıtma etkisi), güneşin fotoelektrik etkisinden, orbital enerjisi

şeklinde ve biyolojik-kimyasal etkisinden yararlanmadır. Güneş enerjisinden

kimyasal ve biyolojik etkiyle yararlanma fotosentez ve güneşte oluşan kimyasal

tepkimelerle güneş enerjisini tutma ve depolamaya dayanır.

Güneş enerjisinden orbital enerjisi şeklinde yararlanma, dev bir uydunun dünya

çevresine gönderilerek güneş enerjisinin fotoelektrik ve termik olarak depolanması

ve atmosferde emilmeyecek biçimde (mikrodalgaya dönüştürme gibi) dünyaya

gönderilmesi prensibine dayanır.

Güneş enerjisinden elektrik üretimi daha çok yüksek yoğunlukta güneş ışığı alan,

sahra gibi çöl veya az yağmur alan ekvatoral bölgelerde ekonomik olmaktadır. Fakat

enerjinin tüketim alanlarından uzaklığı ve depolanma güçlüğü nedeniyle ancak suyu

elektroliz ederek oluşan hidrojeni doğalgaz gibi taşımak şeklinde yararlanma yolları

23

araştırılmaktadır. Toplayıcı özel kollektörlerle Fransa’da 2400 oC kadar ulaşmıştır.

Özellikle Fransa, İspanya, ABD ve İsrail başta olmak üzere birçok ülkede güneş

enerjisinden elektrik üretimi amaçlı yararlanma yollarını araştırmak için yoğun

araştırmalar yapılmaktadır. Günümüzde 60–100 MW’lık deneme güneş elektrik

santralleri bulunmaktadır. 2050 yılında dünya enerji tüketiminin %15’inin güneşten

karşılanacağı tahmin edilmektedir [48].

Güneşin fotoelektrik etkisinden yararlanmada güneş enerjisi doğrudan elektrik

enerjisine çevrilir ve bu enerji tüketilir. Güneş ışığı ile çalışan birçok gereçler (hesap

makinesi, saat, oyuncak, güneş enerjili taşıtlar gibi) ve uzaydaki uydular enerjilerini

bu teknikle kazanmaktadırlar. Açık havada 100 m2 ev çatısına bir günde 80–100 litre

benzin eşdeğeri enerji düşmektedir.

3.2. Güneş Enerjisinin Oluşumu

Doğal bir füzyon reaktörü olan güneşte her bir saniyede 564 milyon ton hidrojen,

560 milyon ton helyuma dönüşmekte ve kaybolan 4 milyon kütle karşılığı 386

milyon EJ enerji açığa çıkmaktadır (1 EJ=22,7 MTEP). Güneş daha milyonlarca yıl

ışımasını sürdüreceğinden, Dünya için sonsuz bir enerji kaynağıdır. Dünya’nın

çapına eşit bir dairesel alan üzerine çarpan güneş gücü, 178 trilyon kW düzeyindedir.

Güneşten gelen güç insanlığın yıllık ticari enerji gereksiniminin 16.000 katından

çoktur. Dünyadaki tüm elektrik santrallerinin toplam gücü güneşten gelen gücün

61.000’de birinden azdır. Güneşten gelen güç, Dünyadaki tüm nükleer santrallerin

toplamının ürettiği gücün 527.000 katıdır. Güneş enerjisi uzaya ve yörüngesindeki

gezegenlere elektromanyetik ışınım (radyasyon) biçiminde yayılır. Dalga boyu 0,2–3

µm arasında olan bu akım, kısa dalgalı bir ışınımdır. Şekil 3.1’de güneşten gelen

enerjinin ışık tayfı verilmiştir.

24

10 -9 10 -5 10 -410 -8 10 -7

10 13 10 1210 1510 1610 17

10 -210 -110 110 210 3

Görünen

Dalgaboyu (m)

Ultraviyole İnfrared

Frekans (Hz)

Foton Enerjisi (eV)

Güneş Radyasyonu

mavi

sarı

kırmızı

Şekil 3.1. Işık Tayfı

Dünyanın yaşanabilir alanlarına gelen güneş enerjisi yere, zamana ve iklime bağlı

olarak 3 ile 50 MJ/m2 gün arasında değişir. Güneş enerjisi kolektörler sayesinde

toplanabilir. Yaklaşık bir ev çatısına eşit, 100 m2 alanlı kollektör 70 kW’lık güç

kaynağı demektir ki, bu kolektörden bir günde sağlanabilecek yararlı enerji %40

verimle 180 kWh, ya da 14 galon petrol eşdeğeri veya bir insan ağırlığıyla taşkömürü

eşdeğeridir.

Güneş, yarıçapı dünya yarıçapının 109 katı ve kütlesi dünya kütlesinin 330.000 katı

olan, yüksek basınçlı ve yüksek sıcaklıklı bir gaz küresidir. Dünya’dan uzaklığı 150

milyon km’dir. Yüzey sıcaklığı ise 6.000 oC’dir. Güneşteki bu yüksek sıcaklık

nedeni ile elektronlar atom çekirdeklerinden ayrılır. Bu sebeple, güneşte atom ve

molekül değil, serbest elektronlar ve atom çekirdekleri bulunur. Bu karışıma plazma

adı verilir. Bu sıcaklıkta hafif elementler, atom çekirdekleri oluştururlar. Dört

hidrojen çekirdeği birleşerek bir helyum çekirdeği meydana getirir. Birleşme çok

yüksek sıcaklıkta olur ve bu olaya füzyon adı verilir. Yüksek sıcaklıkta Termo-

Nükleer Reaksiyon adını alır. Güneşte hidrojen yanarak helyuma dönüşür. Oluşan

helyum miktarı hidrojenden daha azdır. Aradaki fark güneşten ışın olarak çıkan

(Güneş Radyasyonu) enerjiyi verir. Bu enerji çeşitli dalga boylarında ışınlar halinde

25

dünyaya ulaşmaktadır. Dünya, güneşten enerjinin sadece milyarda birini alır.

Güneşin ürettiği enerji, 15 dakikalığına bir yerde toplanabilse elde edilen enerji

miktarı toplam dünya nüfusunun bir enerji ihtiyacını karşılayabilirdi.

Güneşin merkezinde bir saniyede 564 Mton hidrojen, 560 Mton helyuma

dönüşmektedir. Aradaki 4 Mton fark ise ısı ve ısı enerjisi halinde uzaya

yayılmaktadır. Uzaya yayılan güneş ışınları yakıcı ve öldürücüdür. Zararlı ışınlar

ozon tarafından tutulmaktadır. Ozon tabakası güneş ışınlarını canlılar için gerekli

olduğu kadar dünyaya ulaşmasını sağlamaktadır.

3.2.1. Fotovoltaik sistemler

Fotovoltaik sistemler, güneş enerjisinden etkin olarak yararlanmada genelde elektrik

enerjisi üretiminde kullanılan ve fotovoltaik modül, akü, çevirici (inverter), şarj

denetim birimleri gibi bileşenlerden oluşan sistemlerdir.

Fotovoltaik piller (Güneş pilleri), güneş ışınlarını doğrudan elektriğe çeviren ve

fotovoltaik modülleri oluşturan cihazlardır. Işınların doğrudan elektriğe çevrimi üç

ayrı cihazla olmaktadır. Bunlar; fotoemissif selüller, fotorezistans selüller, yarı

iletken güneş pilleridir.

Modüllerde hücreler elektrik akımının sağlanabilmesi için birbirlerine paralel, seri ya

da karma olarak bağlanmaktadır. Modüller alt ve üst kısımlarından camla kaplanarak

bir metal çerçeve ile çerçevelenmektedir.

Güneş ışınlarını elektrik ve ısı enerjisine dönüştüren fotovoltaik piller %5–30

arasında değişen verimleri ile değişik türlerde üretilebilmektedir. İlk güneş pilini

Schottky, Lange ve Grondahl gerçekleştirmiştir [52]. İlk güneş pili Bakır oksit

(Cu2O) ve selenyumdan (Se) yapılmıştır. Ancak ilk esaslı güç elde edilen güneş pili

1954 yılında Bell Telephone laboratuarında ABD G.L. Pearson, C.S. Fuller ve D.M.

Chapin tarafından gerçekleştirilen P-N eklemli homoeklemli silisyum güneş pilidir.

Bu pilin verimi %6 bulunmuştur [52].

26

Dünyada ilk güneş pili santrali 1982 yılında Arco Solar Inc. tarafından ABD’nin

Kaliforniya eyaletinde kurulmuş olan 1 MW gücündeki santraldir. Bir başka santral

yine ABD’nin Los Angeles kentinin kuzey doğusunda 1 MW gücünde ve güneşi

izleyebilen 108 adet güneş panelinden ve 90.000 adet mono kristal içeren santraldir.

3.2.2. Güneş pillerinin yapımında kullanılan malzemeler

Güneş pilleri pek çok farklı maddeden yararlanarak üretilebilir. Günümüzde en çok

kullanılan maddeler şunlardır:

Kristal Silisyum: Önce büyütülüp daha sonra 200 mikron kalınlıkta ince tabakalar

halinde dilimlenen Tek kristal Silisyum bloklardan üretilen güneş pillerinde

laboratuar şartlarında %24, ticari modüllerde ise %15'in üzerinde verim elde

edilmektedir. Dökme silisyum bloklardan dilimlenerek elde edilen Çok kristal

Silisyum güneş pilleri ise daha ucuza üretilmekte, ancak verim de daha düşük

olmaktadır. Bu elementlerle yapılan hücrenin verimi, laboratuar şartlarında %18,

ticari modüllerde ise %14 civarındadır [53].

Galyum Arsenik (GaAs): Bu malzemeyle laboratuar şartlarında %25 ve %28 (optik

yoğunlaştırıcılı) verim elde edilmektedir. Diğer yarı iletkenlerle birlikte oluşturulan

çok eklemli GaAs pillerde %30 verim elde edilmiştir. GaAs güneş pilleri uzay

uygulamalarında ve optik yoğunlaştırıcılı sistemlerde kullanılmaktadır [53].

Amorf Silisyum: Kristal yapı özelliği göstermeyen bu Si pillerden elde edilen verim

%10 dolayında, ticari modüllerde ise %5–7 mertebesindedir. Günümüzde daha çok

küçük elektronik cihazların güç kaynağı olarak kullanılan amorf silisyum güneş

pilinin bir başka önemli uygulama sahasının, binalara entegre yarısaydam cam

yüzeyler olarak, bina dış koruyucusu ve enerji üreteci olarak kullanılabileceği tahmin

edilmektedir [53].

27

Kadmiyum Tellürid (CdTe): Çok kristal yapıda bir malzeme olan CdTe ile güneş pili

maliyetinin çok aşağılara çekileceği tahmin edilmektedir. Laboratuar tipi küçük

hücrelerde %16, ticari tip modüllerde ise %7 civarında verim elde edilmektedir [53].

Bakır İndiyum Diselenid (CuInSe2): Bu çok kristal pilde laboratuar şartlarında %17,7

ve enerji üretimi amaçlı geliştirilmiş olan prototip bir modülde ise %10,2 verim elde

edilmiştir [53].

Optik Yoğunlaştırıcılı Hücreler: Gelen ışığı 10–500 kat oranlarda yoğunlaştıran

mercekli veya yansıtıcılı araçlarla modül verimi %17'nin, pil verimi ise %30'un

üzerine çıkılabilmektedir. Yoğunlaştırıcılar basit ve ucuz plastik malzemeden

yapılmaktadır. Ancak güneşi sürekli olarak dik açıda görmelerinin gerekliliği bu tip

hücrelerin kullanımını kısıtlamaktadır [53].

3.2.3. Yarı iletken fotovoltaik piller ve verimlilikleri

Güneş enerjisini elektrik enerjisine çeviren fotovoltaik piller, malzeme ve bir araya

getirilme tekniğine bağlı olarak çeşitli türlerde üretilmektedir. Pillerin temel

malzemesini silisyum oluşturmakta ve yaygın olarak mono kristal piller

kullanılmaktadır.

Tipik bir 10x10 cm fotovoltaik pil full radyasyonda (güneş ışığı) 1,5 watt üretir.

(Voltaj: 0,5 volt; akım: 3 amper) 3000 watt kapasiteli bir fotovoltaik sistem 27 m2’lik

bir alanda yıllık olarak 2700 kWh üretir. Kesin kazancın yerleştirilen fotovoltaik

pilin 1000 watt'ı başına yaklaşık 900 kWh olduğu saptanmıştır. Yarı iletken

fotovoltaik pil çeşitleri ve özellikleri aşağıda belirtilmiştir.

3.2.4.Kristal silisyum fotovoltaik piller

Silisyum, yarı iletken özellikleri tipik olarak gösteren ve fotovoltaik pil yapımında en

çok kullanılan maddedir ve uzun yıllar da bu konumu koruyacak gibi görünmektedir.

Fotovoltaik özellikleri daha üstün olan başka maddelerde olmakla birlikte, silisyum

28

hem teknolojisinin üstünlüğü nedeniyle, hem de ekonomik nedenlerle tercih

edilmektedir.

Mono kristal silisyum piller: İlk ticari fotovoltaik pillerde, Chrozalski kristal çekme

tekniği ile büyütülen tek kristal yapılı silisyum kullanılmıştı. Fotovoltaik endüstride

hala en çok kullanılan yöntem olan bu teknikte öncelikle ark fırınlarında silisyum

oksit çeşitli kimyasal ve termal reaksiyonlarından geçirilerek saf silisyum elde edilir.

Daha sonra silisyum eriyiğe, çekirdek denen tek kristal yapılı bir silisyum parçası

batırılır. Bu çekirdek eriyikten çıkarıldığında, soğuyan silisyum eriyik çekirdek

üzerine külçe şeklinde yığılmış olur. Önce külçe dikdörtgen bloklar şeklinde kesilir,

daha sonra bu bloklar dilimlere ayrılarak pil şeklinde işlenir.

Pil büyüklükleri birkaç mm2’den başlayarak 100/200 cm2 arasında değişmekte

kalınlıkları 0,2–0,4 mm ve formları kare, dikdörtgen ya da dairesel olabilmektedir.

Yapılan laboratuar araştırmalarında mono kristal modüllerin verimlilik oranları

%24–30 arasında değişmekte olup, seri üretilen elemanlarda bu oran %16–17

arasında değişmektedir. Yapım sırasında malzeme kaybının çok fazla olması ise

dezavantajlarıdır [53].

Yarı kristal fotovoltaik piller: Bu tip piller, sıvı silisyumun soğutulması ile elde

edilen kümelenmiş, küçük silisyum kristallerinden oluşur. Bu pillerin verimleri %14

civarındadır.

Ribbon silisyum fotovoltaik piller: Bu hücreler malzeme kaybının azaltılması

amacıyla, levha halinde silisyum tabakalarından yapılırlar. Çeşitli yöntemlerle elde

edilen bu piller, halen geliştirme aşamasındadır. Verimleri laboratuar şartlarında

%13–16 arasındadır.

Multikristal silisyum fotovoltaik piller: Multikristal pillerin üretimleri mono kristal

pillere karşın daha kolay ve ucuzdur, ancak verimlilik yüzdeleri ve buna paralel

olarak daha düşüktür. Multikristal pillerin verimlilikleri laboratuar üretimlerinde

29

%18, seri üretimlerde ise %13–14 oranındadır. Her iki hücre pili için de yarı iletken

tabakanın kalınlığını artırılması ile verimliliğin artacağı savunulmaktadır.

3.2.5. İnce film fotovoltaik piller

Bu teknikte, soğurma özelliği daha iyi olan maddeler kullanılarak daha az kalınlıkta

piller yapılır. Örneğin; amorf, silisyum pillerinin soğurma katsayısı kristal silisyum

pillerine göre daha fazladır. Bu yüzden amorf yapılı pillerde daha az malzemeler

kullanılır. Ayrıca montaj kolaylığı nedeniyle iş gücünün azalması bu hücrelere bir

avantaj sağlar.

Amorf silisyum piller: Amorf silisyum piller (A-Si), ince film hücre teknolojisini en

önde gelen örneğidir. Amorf pillerde verimlilik düzeyi ise %5–9 oranındadır.

Maliyetinin düşük olması nedeni ile düşük verimliliğine karşın ekonomik olacağı

görüşü hâkimdir.

Diğer yapılar: Bakır indiyum diselenit (Culnsh) maddesinden yapılan ve verimliliği

%13 civarında olan piller halen geliştirme aşamasındadır. Kadmiyum tellür (CdTe)

ile yapılan pillerin ise soğurma özelliği yüksek, verimleri de %12 civarındadır.

Bugüne kadar elde edilen en yüksek verime (%24) galyum arsenikten (GaAs) yapılan

piller ulaşmıştır. Bu madde ile çeşitli türde pil elde edilmekle birlikte, pahalı olduğu

için çoğunlukla uzay teknolojisinde kullanılır.

Bunların dışında, güneş ışınımını yüksek verimli pillerin üzerine optik olarak

yoğunlaştıran sistemler üzerinde çalışmalar yapılmaktadır. Bu tür sistemlerde

güneşin hareketini izleyen düzeneklerin yanı sıra, güneş ışığını kıran (mercek) ya da

yansıtan (ayna) eleman kullanılır.

Pillerin üretiminde, verimliliklerinin arttırılması konularında sürekli ilerleme ve

iyileştirmeler kaydedilmektedir. Araştırmalar amorf pillerinde de gelecekte yüksek

verim alınabileceğini ancak bu değerlerin Multikristal pillerden az olacağını

30

göstermektedir. Çizelge 3.1.’de piyasada bulunan PV tesislerin verimlilik oranları

verilmiştir.

Çizelge 3.1. Piyasada bulunan PV tesislerin verimlilik oranları

PV Tesisleri Hücre türü Mono Multi Amorf Modül verimliliği %14 %12 %6 Dönüştürücü verimliği %92 %92 %92 Sistemin kulla. Verimliliği %10–11 %9–10 %4–5 Teknik uygulanabilirlik %95 %95 %95 Modül kapasitesi 2–20 kW 2–20 kW 2–20 kW

3.3. Fotovoltaik Pillerin Matematiksel Modeli

Fotovoltaik hücreler, güneş ışığının yarıiletkenler üzerindeki etkisi sonucunda

elektrik üretirler. Fotovoltaik panellerin yapımında en çok kullanılan yarı iletken

malzemeler, silisyum ve silisyum alaşımlarıdır [54]. Şekil 3.2’de güneş panelinde

kullanılan hücrelerin içyapısına ait görüntü verilmiştir.

Metal Kontak

h+e_p-tipi yarıiletken

n-tipi yarıiletkenh+ e_

Metal şerit ızgara Yansıtıcı

yüzey

Güneş ışığı

Şekil 3.2. Solar hücrenin içyapısı

Güneş panelinden elde edilen elektrik enerjisini matematiksel olarak ifade edebilmek

için öncelikle güneş paneli eşdeğer devresi çıkarılmalıdır. Bu devredeki değerlere

bağlı olarak elde edilen formüller incelenirse, panelin enerji üretimi ve verimi ile

ilgili daha fazla bilgi sahibi olunabilir. Şekil 3.3’de güneş paneli elektriksel eşdeğer

devresi verilmiştir [55].

31

RSH DRL

RS

ILG

I

V

Şekil 3.3. Güneş paneli elektriksel eşdeğer devresi

Eşdeğer devre üzerindeki RSH akım kaynağına paralel direnci, D ise kaynak

üzerinden geçebilecek ters akımları önleyen diyotu ifade etmektedir. RL ise yük

direnci olarak kullanılmaktadır.

Güneş panelinde üretilen elektrik enerjisine, panel sıcaklığının, panelin güneş alma

açısının ve ışınım değerinin direk olarak etkisi vardır. Güneş panelinde elde edilen

elektrik enerjisi matematiksel olarak Eş. 3.1 ile,

( )SH

S

SOSLGR

IRVIRV

AkT

qIII

+−

−

+−= 1exp (3.1)

ters doyum akımı Eş. 3.2 ile,

−

=

TTBk

qE

T

TII

R

GO

R

OROS

11exp

3

(3.2)

ışık tarafından üretilen akım ise Eş. 3.3 ile ifade edilir.

( )[ ] 100/25 λ−+= TKII ISCRLG (3.3)

32

Formüllerdeki değişkenler;

I ve V = Panel çıkış akım ve gerilimi

IOS = Panel ters doyum akımı

T = Panel sıcaklığı oC

k = Boltzmann sabiti

q = Elektronik şarj

KI = 0,0017 = ISCR için kısa devre sıcaklık katsayısı A/oC

λ = W/m2 ‘deki solar aydınlanma

ISCR = 25oC ve 1000 W/m

2’deki kısa devre akımı

ILG = Işık tarafından üretilen akım

EGO = Silikon için bant genişliği

B =A =1,92 = İdealleştirme faktörü

TR= 301,18oK = Referans sıcaklık

IOR = TR referans sıcaklığında panel doyum akımı

RSH = Şönt direnç

RS = Seri direnç

3.4. Panel Verimine Etkiyen Faktörler

Yarı iletken pillerin verimini etkileyen etkenleri doğal etkenler ve teknolojik etkenler

olarak iki grupta toplanabilir [56]:

1- Doğal Etkenler

Tam olmayan soğurma

Foton enerjisinin tamamının elektron hol çiftinin oluşturulmasında

kullanılmaması

Eğri etkeni

Güneş pilinin sıcaklığı

Yüzey kirlenmesi

33

2- Teknolojik Etkenler

Güneş pilinin iç seri direncinden ileri gelen kayıplar

Fotovoltaik güneş pili üzerindeki yansıma kayıpları

Toplama kayıpları

Güneş pilinin kalınlığı

3.4.1. Doğal etkenler

Tam olmayan soğurma: Fotovoltaik güneş pilleri yasak enerji aralığına karşılık gelen

dalga boylarına sahip olan ışınları soğururlar. Yasak enerji aralığında daha küçük

enerjili ışınları soğuramazlar. Soğurma kaybı, yasak enerji aralığında oluşturulacak

tuzak seviyeleri ve farklı yasak enerji aralıklı materyallerden çoklu tabakların

oluşturulmasıyla azaltılabilir.

Foton enerjisinin tamamının elektron-hol çifti oluşturulmasında kullanılmaması:

Yutulmuş fotonların büyük bir kısmı elektron-hol çiftinin oluşması için gerekli olan

enerjiden daha büyük enerjiye sahiptirler. Fotonların fazla enerjileri ısıya dönüşür

bundan dolayı enerji kaybı meydana gelir. Bunu gidermeye yönelik olarak fotonların

fazla enerjilerinden elde edilen ve verimliliği düşüren atık ısının modülün alt

kısmında bırakılan boşluktaki havaya ya da borulardan geçen suya aktarılmasıyla

sıcak su elde edilmesinde, mekân ısıtmasında kullanılabilir yeni tür modüller

geliştirilmiştir.

Eğri etkeni: Güneş pilinin verdiği akım, yüzeyine gelen güneş ışınımı şiddetine ve

yüzey sıcaklığına bağlı olarak değişir. Bir güneş pilinin yüzeyine gelen ışınım şiddeti

arttığında, pil akımı ve gücü doğrusal olarak artar. Güneş pilinin yüzey sıcaklığı

arttığında ise pil akımı az miktarda artar, gerilim büyük ölçüde düşer.

Bir güneş pilinin verimi şu şekilde ifade edilir;

(3.4)

AJ

Pmn

×=

34

Bir güneş pilinin verimini etkileyen en önemli özelliklerden biri Fill Faktörüdür (FF).

Eğri faktörü de denilen bu faktör, güneş pilinin verimini belirler. Fill faktörü yâda

eğri etkeni aşağıdaki şekilde ifade edilir. Eğri etkeni maksimum güç noktasına

karşılık gelen maksimum akım ve maksimum gerilim çarpanlarının açık devre ve

kısa devre akımının çarpımlarının oranına eşittir. Fill faktörünün alabileceği en

büyük değer 1 dir. Genel olarak FF 0,6–0,8 değerlerine yakın olur.

adkd

makmak

xVI

xVIFF = (3.5)

Eğri etkeni ve gerilim etkenleri uygun yasak enerji aralıklı materyallerin seçimiyle ve

uygun katkılama seviyeleri ile azaltılabilir. Açık devre ve kısa devre şartları altında

çalıştırılan bir PV pilinin çıkışından herhangi bir güç alınmaz.

Güneş pilinin sıcaklığı: Fotovoltaik pilin sıcaklığı verimin düşmesine neden olur.

Şekil 3.4’te fotovoltaik pil sıcaklığının verime olan etkisi görülmektedir. Sıcaklığı

düşük olarak koruyabilmek için uzayda kullanılacak pillerin üzeri erimiş silikondan

yapılmış şeffaf bir örtü ile kaplanır. Bu örtü çok katlı bir filtre özelliği gösterir ve

mor ötesi ışınları pil yüzeyinden yansıtır.

5 10 5045403530252015 6055

5

10

15

Hücre Verimi %

Monokristal Silikon

Amorf Silikon

Hücre Sıcaklığı

Şekil 3.4. Fotovoltaik pillerin sıcaklığının verime etkisi

35

Yüzey kirlenmesi: Modüllerin yüzeyindeki tozlanma ve kirlenmeler modül

verimliliğini azaltmaktadır. Yapılan araştırmalar, kirlenme durumunda PV

performansının %3,5 oranında düştüğünü göstermektedir. Bu nedenle kirlenmeyi

önlemek için modülün eğim açısının yağmur sularının kolayca akabilmesini

sağlamak için >20o olmalıdır. Modüller bina yüzeylerinde düşey olarak

uygulandıklarında ise temizlenebilmeleri için açılabilir kanat şeklinde

düzenlenebilirler ya da hareketli yüzey temizleme aletleri ile temizlenebilirler.

3.4.2. Teknolojik etkenler

Güneş pilinin iç seri direncinden ileri gelen kayıplar: Seri direnç, farklı tabakalardan

geçen akımdan kaynaklanan bir dağılım olduğu kabul edilmektedir. İç seri

direncinden dolayı akım voltaj karakteristik eğrisinde sapma meydana gelir. Seri

dirençten ileri gelen kayıplar pil teknolojisinin gelişmesiyle giderilebilir. Şekil 3.5’te

bir fotovoltaik pilin veriminin seri dirençle değişimi görülmektedir.

0,2

8

10

12

Verim %

Seri Direnç ?43210,5

14

16

Şekil 3.5. Bir fotovoltaik pilin veriminin seri dirençle değişimi

Fotovoltaik pil üzerindeki yansıma kayıpları: Yansıma kayıpları materyalden

materyale göre değişmektedir. Silisyum için yansıma katsayısı oldukça düşüktür. Bu

yansıma kayıpları pil yüzeyine anti yansıtıcı bir madde kullanılarak bu kayıplar

azaltılabilir.

36

Güneş pilleri üzerine gelen ışınların bir kısmını yansıtırlar ve bu durum güneş pilinin

çıkış gücünü olumsuz yönde etkiler. Bunu önlemek için anti yansıtıcı maddeler

kullanılır. Anti yansıtıcı maddeler saydam maddeler olup, buharlaştırma, kimyasal

çöktürme ve oksitleme yolu ile güneş pilinin ön yüzeyine kaplanır. Aynı zamanda bu

tabaka güneş pilinin yüzeyini çeşitli dış etkilerden de korur.

Toplama kayıpları: Güneş pilinde ışınların etkisiyle oluşan elektron-hol çiftleri eğer

P-N eklem bölgesinden uzakta olmuşlarsa, tekrar birleşmeden dolayı yok olurlar ve

bu durum toplama verimin azalmasına neden olur. Toplama verimi küçük dalga

boyları için P tabakasında, büyük dalga boyları için N tabakasında daha büyüktür.

Fotovoltaik pilin kalınlığı: Fotovoltaik pilin kalınlığı da önemlidir. Pil kalınlığı

küçüldüğü zaman geçirilmiş ışınlardan dolayı kayıp artar. Fotovoltaik pilin verimi

azalır. Yaygın olarak kullanılan silisyum fotovoltaik pillerinin kalınlığı 0.2 – 0.4 mm

arasındadır.

3.5. Fotovoltaik Modüllerin Sağladığı Avantajlar

Fotovoltaik modüllerin bina kabuğunda cephe veya çatı kaplama elemanı olarak

kullanılmasının avantajları şöyle sıralanabilir:

• PV- modüllerin kullanımı, değişen modül boyutları ve pil yapılarına bağlı olarak

görünüm itibarıyla sınırsız tasarım olanağı sağlar.

• Güneş enerjisinden elektrik enerjisi elde etmek için kurulan PV-modüller ek

mekân ve yüzey gerektirmezler.

• PV-modüllerin bina kabuğuna entegre edilmeleri ek bir konstrüksiyon

gerektirmez.

• PV-modüller saydam veya renkli olarak hazırlanabilmektedirler. PV pilleri rengi

monokristal silisyumda siyah, multikristal silisyumda mavi, amorf silisyumda ise

kırmızımsı kahverengi olup, güneş ışınlarını soğurma güçleri de renklere bağlı

olarak değişmektedir.

37

• PV-modüllerin çok tabakalı olarak üretilmeleri olanaklıdır. Çünkü bu tür

konstrüksiyonlar ışıklık olarak uygulandıklarında, gerekli ısı yalıtımı sağlamak

zorundadırlar.

Kısaca, konvansiyonel cephe ve çatı elemanlarının yerini PV-modüller

alabilmektedir. Bu modüller tarafından üretilen elektrik enerjisinin bağlantısı

kablolar aracılığı ile cam yüzeyler delinerek modüllerin arkasında yapılmaktadır.

3.6. Maksimum Güç Noktası Takibi

Günümüzde yenilenebilir enerji kaynakları elektrik enerjisi üretiminde önemli rol

oynamaktadır. Çeşitli yenilenebilir kaynaklar örneğin güneş enerjisi, rüzgâr enerjisi,

jeotermal v.b. bu tür kaynakların en çok kullanılan türleridir.

Güneş enerjisi elektrik üretim sistemleri için iyi bir seçimdir. Bunun nedeni güneş

enerjisinin solar paneller tarafından direkt olarak elektrik enerjisine

dönüştürülebilmesidir.

Güneş panelleri silikon hücrelerden meydana gelirler. Her bir silikon hücrenin açık

devre gerilimi yaklaşık olarak 0,7 V civarındadır. Hücreler seri bağlanarak solar PV

modüller meydana getirilir. Genellikle uygulamada 36 hücre seri bağlanarak yaklaşık

20V gerilim elde edilir. Hücrelerden elde edilecek akım oranı ise hücrelerin yüzeyine

bağlı olarak değişen bir faktördür. Hücre alanı ne kadar büyük olursa elde edilecek

akımda o kadar yüksek olur. Yüksek çıkış güçleri elde edebilmek için hücreler seri

ve paralel kombinasyonlar halinde bağlanarak güneş panelleri oluşturulur. Güneş

panellerinin maksimum verimle çalıştırılabilmesi için karakteristiklerinin iyi

bilinmesi gerekmektedir. Güneş paneli için akım (I) ile gerilim (V) ve güç (W) ile

gerilim (V) arasındaki ilişkileri gösteren karakteristik eğrileri Şekil 3.6 a ve b’de

verilmiştir.

38

Akı

m (

A)

Gerilim (V)

0

1

6

5

4

3

2

2 4 6 1412108

(a)

Güç

(W

)

Gerilim (V)

0

10

60

50

40

30

20

2 4 6 1412108

(b)

Şekil 3.6. Solar modülün karakteristik eğrileri a)Akım-gerilim b)Güç-gerilim eğrisi

3.6.1. Maksimum güç takibinin gerekliliği

Solar modüller için çıkış gücü, güneşe bakış açısı, güneşlenme ve panel sıcaklığına

bağlı olarak değişir [57]. Çeşitli güneşlenme değerlerinde panelin sergilediği çıkış

karakteristik davranışlara ilişkin eğriler Şekil 3.7 a ve b’de verilmiştir.

39

Akı

m (

A)

Gerilim (V)

0

1

5

4

3

2

2 4 6 1412108

250 W/m2

1000 W/m2

750 W/m2

500 W/m2

(a)

Gerilim (V)

Güç

(W

)

0

10

60

50

40

30

20

2 4 6 1412108

250 W/m2

1000 W/m2

750 W/m2

500 W/m2

(b)

Şekil 3.7. Güneşlenme miktarındaki değişimin solar modülün karakteristiğine etkisi

a) Akım-gerilim eğrisi b) Güç-gerilim eğrisi

Şekilde verilen güç ve gerilim arasındaki ilişkiyi veren eğride görüldüğü gibi, birim

alanda güneşlenme miktarı arttıkça panelden elde edilen güç değeri de artmaktadır.

Güneş panelinin yüzey sıcaklığı değiştiğinde ise, panel gerilim ve akım değerleri ve

buna bağlı olarak panel gücüde değişmektedir [57]. Değişik yüzey sıcaklıklarında

modül karakteristiğindeki değişim Şekil 3.8 a ve b’de verilmiştir.

40

Akı

m (

A)

Gerilim (V)

0

1

6

5

4

3

2

2 4 6 1412108

20oC

80oC

60oC

40oC

(a)

Güç

(W

)

Gerilim (V)

0

10

50

40

30

20

2 4 6 1412108

20oC

40oC60oC

80oC

(b)

Şekil 3.8. Panel yüzeyi sıcaklığındaki değişimin solar modülün karakteristiğine etkisi

a) Akım-gerilim eğrisi b) Güç-gerilim eğrisi

Güneş panellerinin verimleri yaklaşık %13 olarak bilinmektedir. Görüldüğü gibi

modül verimi tahmin edilenden düşük bir değerdir. Modülleri değişken yükler altında

maksimum verimle kullanabilmek için eğride gösterilen maksimum güç noktalarının

değişken sıcaklık ve güneşlenme değerlerinde takip edilmesi gerekmektedir. Böylece

güneş panelinin verimi sürekli olarak en yüksek seviyede tutulabilir. Maksimum güç

takibi (MPPT) işlemi gücün yüke sürekli olarak en yüksek seviyede verilmesi olarak

tanımlanabilir. Bu işlemi gerçekleştirebilmek için yükseltici veya alçaltıcı DA/DA

konvertörler kullanılmaktadır. Konvertörün anahtarlama oranında yapılacak olan

değişiklik yükün empedansına etki etmekte ve anahtarlama oranları değiştirilerek

yüke maksimum güç transferi işlemi gerçekleştirilmektedir.

41

3.6.2. Maksimum güç noktasının belirlenmesi

Maksimum güç takibi işleminin güneş panellerinin çıkışına bağlanan bir konvertörün

anahtarlama oranlarında yapılan değişikliklerle yapıldığı önceki bölümlerde kısaca

açıklanmıştı. Konvertörün anahtarlama oranının duty saykılındaki (boşluk darbe

oranı) değişiklikler güç eğrisinin tepe noktasında çalışmayı sağlamaktadır. Alçaltıcı

konvertör göz önünde tutularak işlem formüllerle açıklanacak olursa

iVDV *0 = (3.6.)

(Vo çıkış gerilimi ve Vi giriş gerilimi olarak tanımlanırken) Empedanstaki değişim

oranı

iRDR *20 = (3.7.)

(Ro çıkış empedansı ve Ri giriş empedansı olarak tanımlanır)

20 / DRRi = (3.8.)

Çıkış direncinin değeri sabitken ve giriş direnci anahtarlama oranı tarafından

değiştirilirken kaynak gerilimi de değişir. Dirençteki değişiklik anahtarlama

oranındaki değişikliğe bağlı olarak gücün tepe noktasını da değiştirir [58]. Bu

değişim Şekil 3.9’da verilmiştir.

42

Güç

(W

)

Gerilim (V)0

10

60

50

40

30

20

2 4 6 1412108

Akı

m (

A)

Gerilim (V)

0

1

6

5

4

3

2

2 4 6 1412108

1/Ro

D2/Ro

Şekil 3.9. DA/DA konvertörün maksimum güç noktası takibine etkisi

3.6.3. Maksimum güç noktası takip metotları

DA/DA konvertörün anahtarlama oranını değiştirerek maksimum güç noktası takip

işleminde dirençteki değişiklik gücün tepe noktasındaki değişime karşılık gelir.

Boşluk darbe oranının değiştirilmesi yardımıyla gücün tepe noktasına ulaşma

işleminde izlenecek birkaç farklı yöntem vardır. Elle yapılan maksimum güç takibi

işlemlerinde verim yüksek değildir. Bunun yerine otomatik olarak yapılan işlemler

daha çok kullanılır. Otomatik güç takibi işlemine dair birkaç algoritma verilecek

olursa;

a) Karıştır ve Gözlemle metodu

b) Artan İletim metodu

c) Bozucu kapasite metodu

d) Gerilim tabanlı güç takip metodu

e) Akım tabanlı güç takip metodu

43

Maksimum güç takibini uygulamak için mikroişlemciler ve kişisel bilgisayarlar

yardımıyla program ve algoritmalar çalıştırılır. Algoritma modülü tepe noktasında

çalıştırmak ve DA/DA konvertörün güç çıkışını maksimize etmek için boşluk darbe

oranını sürekli değiştirir. Bu tür algoritmaların en çok kullanılanları aşağıda

açıklanmıştır [57].

Gerilim Tabanlı Güç Takip Metodu: Bu yöntem şöyle açıklanabilir; Seçilen bir

modülün maksimum güç noktasının modülün açık devre geriliminin 0.75 katı

civarında olduğu kabul edilir. Ölçülen açık devre gerilim değeri bir referans gerilimi

üretilerek ve üretilen referans gerilim geri dönüşüm voltaj kontrol şeması

uygulanarak, solar modülün gerilimi maksimum güç noktasına getirilir.

Bu teknikteki en büyük problem panelin açık devre geriliminin panel sıcaklığına

bağlı olarak sürekli değişmesidir. Panel sıcaklığı arttıkça belirli bir noktaya kadar

açık devre gerilimi de artmaktadır. Bu nedenle açık devre geriliminin sürekli olarak

kontrol edilmesi gerekmektedir. Ayrıca panelin açık devre gerilimi ölçülürken yük

devre dışı bırakılmalıdır. Ancak bu yolla çıkış gücünün sürekli olarak kontrol altında

tutulması verimli bir uygulama değildir.

Akım Tabanlı Güç Takip Metodu: Modül gücünün tepe noktası modül kısa devre

akımının yaklaşık 0,9 katı civarında olabilir. Modülün bu tepe noktasını ölçmek için

modül veya panel grubu kısa devre edilir. Bu sayede elde edilen akım değerine göre

belirlenen akım kontrol modu kullanılarak, kısa devre akımının %90’ına kadar

maksimum güç takibi işlemi yapılabilir. Bu yöntemin en büyük problemi kısa devre

akımlarının ölçülebilmesi için yüksek güçlü dirençler kullanılmasının gerekliliğidir.

Modül kısa devre edilerek ölçülen akım değeri değişik güneşlenme değerlerinde

farklılıklar gösterebilir.

3.7. Güneş Takip Sistemleri

Güneşin sonsuz bir enerji kaynağı olduğu ve yenilenebilir enerji kaynağı olarak

kullanımının gün geçtikçe yaygınlaştığı daha önceki bölümlerde belirtilmişti. Güneş

44

enerjisinden elektrik üretimi amacıyla kullanılan güneş panellerinin matematiksel

denklemleri Bölüm 3.3’te verilmiş ve panel verimini etkileyen önemli faktörlerden

birinin güneşlenme olduğu belirtilmişti. Güneşlenmenin günün her saatinde en

yüksek seviyede tutulabilmesi için panellerin güneşi takip etmesi gerekmektedir.

Güneş ile panel yüzeyi arasındaki açı günün her saatinde dik olursa, güneşlenme de

en yüksek seviyede olur. Panellerin güneşi dik açı ile görebilmeleri için sabah gün

doğumundan akşam gün batımına kadar güneşi takip etmeleri gerekir. Ancak gün

boyu yapılan takip işlemi yılın her mevsimi için aynı verimi sağlamaz. Çünkü

dünyanın güneş eksenindeki hareketine bağlı olarak yıl içerisinde güneş her mevsim

farklı yörüngeleri takip etmektedir. Güneşin mevsimlere göre izlediği yörüngeler

Şekil 3.10’da verilmiştir.

Doğu

Batı

Kuzey

Güney

Güneşin gün içinde izlediği yol

Kış mevsiminde güneş

Yaz mevsiminde güneş

İlkbahar ve Sonbahar dönencelerinde güneş

Şekil 3.10. Güneşin mevsimlere göre izlediği yörüngeler

Güneşin mekanik olarak takip işlemi iki şekilde yapılabilir. Birincisi tek eksenli

güneş takip mekanizması, diğeri de iki eksenli güneş takip mekanizmasıdır [59].

Tek eksenli güneş takibinde esas; panelin güneşe olan kuzey-güney doğrultusundaki

açısını bulunduğu konuma bağlı olarak en uygun açı değerine getirerek, doğu-batı

ekseninde gün boyunca takip işlemini yapabilmesini sağlamaktır. Ankara için kuzey-

45

güney yönleri doğrultusunda belirlenen açı değeri 32o’dir. Şekil 3.11’de güneşi tek

eksende izleyen panelin hareketine ait çizim verilmiştir.

Dönme Ekseni

Eğim Açısı

BatıKuzey

Güney Doğu

Şekil 3.11 Güneşi tek eksende izleyen fotovoltaik modülün yerleşim şeması

İki eksenli güneş takip mekanizmalarında ise; panel güneşi hem kuzey-güney hem de

doğu-batı eksenlerinde takip etmektedir. Bu tür uygulamaların verimi tek eksenli

olanlara göre fazladır. Ancak panel boyutlarının büyük olmasından dolayı, belirli bir

gücü karşılamak için oluşturulacak güneş paneli gruplarının mekanik olarak iki

eksenli hareket ettirilmesindeki güçlükler, rüzgâr yükünün fazla olması, dişli ve

motorların mekanik problemleri bu sistemlerin kullanılmasını kısıtlayıcı sorunlardır.

Şekil 3.12’de güneşi iki eksende izleyen panel yapısına ait çizim verilmiştir.

46

Dönme Ekseni

BatıKuzey

Güney Doğu

Dönme Ekseni

Şekil 3.12. Güneşi iki eksende izleyen fotovoltaik modülün yerleşim şeması

Güneşin mekanik olarak takibi sırasında çalıştırılan sistemlerin elektronik olarak

kontrolü mikrodenetleyiciler veya bilgisayarlar yardımıyla yapılır. Güneş takip

işleminin elektronik kısmında ise iki tür kontrol mekanizması mevcuttur.

- Kararlaştırılmış kontrol algoritması metodu (fixed control)

- Dinamik kontrol metodu (dynamic control)

Her iki kontrol metodu da esasında güneşi takip etmek amacıyla kullanılırlar. Ancak

aralarındaki en temel fark güneşin pozisyonunu bulma ile ilgilidir.

Kararlaştırılmış kontrol algoritması metodunda; güneşin konumu bilgisayar veya

mikrodenetleyici tarafından hazırlanmış algoritmalar ile bulunur. Bu yöntemde

belirtilen gün ve tarihte güneşin olması gereken konum daha önceden sisteme girilen

bilgiler aracılığı ile tespit edilir ve mekanik sistem buna göre güneşe yönlendirilir.

Dinamik kontrol metodunda ise; mekanik sistem güneşi sensörler ve pozisyon

algılayıcıları yardımıyla gerçek anlamda takip eder. Güneşin bulunduğu konuma

göre mekanik sistem sürekli olarak güneşe yönlendirilir. Bu yöntemin dezavantajı ise

sistemin sürekli olarak enerjili olarak beklemesi veriminin düşmesine neden olur.

47

Bu tez çalışmasında, güneş takip mekanizması olarak tek eksenli ve iki eksenli olmak

üzere iki adet sistem tasarlanmış ve uygulamaları yapılmıştır. Bu mekanizmaların

kontrol sistemleri ise her iki yöntemi kullanarak çalışmaktadır. Uygulaması yapılan

sistemlerle ilgili detaylı bilgi ilerleyen bölümlerde verilecektir.

48

4. RÜZGÂR ENERJİSİ VE ELEKTRİKSEL UYGULAMALARI

Rüzgâr enerjisinden mekanik ve elektrik dönüşüm olarak yararlanılır. Rüzgâr enerjisi

dönüşüm sistemlerinin dönüştürme tekniğinin başta işletim ve bakımının kolay

olması nedeniyle diğer enerji kaynaklarından üstünlüğü vardır. Rüzgâr enerjisi hem

kırsal alanda elektrik enerjisinin yerel üretim ve tüketiminde, hem de elektrik

şebekesini beslemek amacıyla kullanılır. Rüzgâr enerjisi elektriksel uygulamaları üç

grupta toplayabiliriz.

Şebeke bağlantılı AA uygulamaları: Bu uygulamada üretilen gücün tamamı veya

artan kısmı verilir. Rüzgâr enerjisi sisteminin ürettiği elektriğin faz ve frekansı ile

şebeke değerlerinin uyum içinde olması gerekir.

Bu durumu sağlamak için üç yöntem kullanılır;

• Bir kontrol sistemi ile frekans ve hızın kontrol edildiği senkron jeneratör

kullanmak; sadece büyük sistemlerde kullanılır.

• Hat çevirici invertör ile senkron olmayan alternatör kullanmak; genellikle küçük

sistemlerde tercih edilir.

• Şebeke gücünün frekans olarak kabul edilen indüksiyon jeneratörünü şebekeye

uygun alternatif akım üretmek için kullanmak; şebeke bağlantısının zor olduğu

durumlarda kullanılır.

Şebeke bağlantısı olmayan AA/DA uygulamaları: Bu uygulamada şebekeye hiç enerji

vermeden bir veya birkaç yük beslenir. Tarımsal amaçlı su pompalama, ürünlerin

kurutulması veya soğutulması ısıtıcıların işletimi, su arıtma, soğutma ve

havalandırma işlemleri örnek olarak verilebilir.

DA çıkışlı rüzgâr enerji sistemleri, aydınlatma, elektrikli ısıtıcılar ve DA motorlu

makineler gibi uygulamalarda yüksek verimle kullanılabilir. DA çıkışlı sistemlerin

çoğunda, AA jeneratörler vardır. Çıkış bir doğrultucu ile doğrultulur. Bu güç üretme

şekli yüksek maliyet gerektirir.

49

Uzak DA uygulamaları: Röle ve meteoroloji istasyonları, demiryolu sinyalizasyonu

deniz, hava ulaşım sistemleri ve uzak pompa istasyonları bu uygulamaların en iyi

örnekleridir. Sürekli bakım ve onarım gerektirmeden işletimi mümkündür. Bu

sistemler uzak yerleşim yerleri ısı ve ışık kaynağı olarak da kullanılabilir.

4.1. Rüzgâr Türbinleri

4.1.1. Rüzgâr türbinlerinin sınıflandırılması

Rüzgâr türbinleri için, güç, dönme ekseni, jeneratör düzeni ve kontrol sistemlerine

göre değişik sınıflamalar yapılmaktadır. Güç odaklı sınıflandırma yaklaşımına göre,

dört ana gurupta toplanmıştır [60]. Bunlar;

• Küçük güç sistemleri: Genellikle 0–10 KW gücündeki sistemlerdir.

• Orta güç sistemleri: Genellikle 10–100 KW arasında olan sistemlerdir.

• Büyük güç sistemleri: 100 KW’ dan daha büyük olan sistemlerdir.

• Megawatt Türbinler

Mekanik gövde yapısı olarak rüzgâr türbinleri sınıflandırılacak olursa;

Yatay eksenli rüzgâr türbinleri (YERT): Yer konumuna göre rotoru yatay eksende

çalışan bu makineler daha geleneksel ve daha modern bir kullanımı sunarlar. Yatay

eksenli makinelerin maksimum enerji tutabilmeleri için rotorları daima rüzgâr akış

yönünde olmalıdır. Bu da rotorun kule üstünde dönmesi ile sağlanır. Rüzgârın

yönüne dönme hareketi iki değişik yapı ile sağlanır. Bunlar "öne-rüzgâr" ve "arkaya-

rüzgâr" olarak adlandırılırlar. Eğer kanat rüzgârı ön yüzünden alıyorsa rotorun

arkasına bir kılavuz kanat takılır. Diğer şekilde ise kanat rüzgârı arka kısımdan alır

veya kanatlar biraz konik yapılır. Böylece sistem rüzgârı takip ederek maksimum

faydayı sağlar.

50

YERT’lerin rotorları maksimum enerjiyi tutabilmek için rüzgâr akışına dik olarak

durmalıdır. YERT’ler bu konuma, rotor kule üzerinde döndürülerek getirilir.

YERT’ler kule üzerinde yatay eksen yönündeki hareketi motorlar (rüzgâr veya

elektrik) rüzgâra yönelik birimlerde kılavuz bir kuyruk ve rüzgârı arkadan gören

birimlerde ise oluşturulan konik açı ile sağlanır. Şekil 4.1’de yatay eksenli rüzgar

türbinine ait görüntü verilmiştir.

Şekil 4.1. Yatay eksenli rüzgar türbini

Düşey eksenli rüzgâr türbinleri (DERT): DERT’lerin rüzgârı her yönden kabul

edebilme üstünlüğü vardır. Kanatların güç üretebilmeleri rüzgârdan daha hızlı

dönmelerini gerektirdiğinden, ilk harekete geçişleri güvenilir değildir. DERT’lerin

bir diğer üstünlüğü ise makine aksamı, hız yükselticisi ve jeneratörün toprak üzerine

konulabilmesidir.

Dönme ekseni rüzgâr yönüne dik ve düşey olan bu türbinin kanatları da düşeydir.

Günümüzde çeşitli ülkelerdeki elektrik enerjisi üretimi uygulamalarının çoğunluğu 2

ve 3 kanatlı yatay eksenli rüzgâr türbinleri oluşturmaktadır. Büyük güçlü düşey

eksenli uygulamalarda mevcuttur. Özellikle Dorrieus tipi türbinler ve bunun

geliştirilmiş daha karmaşık yapılı olanı Cyclogino tipi rüzgâr türbinleri

kullanılmaktadır. Resim 4.1’de düşey eksenli rüzgar türbinine ait görüntü verilmiştir.

51

Resim 4.1. Düşey eksenli rüzgar türbini

Günümüzde en çok iki ve üç kanatlı rotor tasarımları yapılmaktadır. Türbinler

genellikle yatay eksenli olarak imal edilmekle beraber, dikey eksenliler de

üretilmektedir.

4.2. Türbin Bileşenleri

Yakın geçmişte, yürütülen başarılı çalışmalar sonucu, rüzgârla ve rüzgârdan enerji

üretiminde verimin artırılması ile ilgili değişkenler hakkında daha somut bilgilere

ulaşılmıştır [61]. Yük tahminleri, rüzgârın doğasını ve özellikle de atmosferik

türbülans karakteristiklerini hesaba katan tasarım yöntemleri ile değişim

harmonizasyon süreçleri hakkında ayrıntılı bilgilere ulaşılmıştır. Yeni bilgiler, daha

etkili ve daha verimli türbinlerin tasarım ve yapısına imkân vermektedir. Türbin

bileşenleri, türbin tasarım tipine veya imalatçısına göre değişmektedir. Şekil 4.2. de

genelleştirilmiş bir rüzgâr türbininin bileşenleri verilmiştir. Bu diyagram çok az

farklarla modern rüzgâr türbinlerini temsil etmektedir [62].

52

Şekil 4.2. Türbin bileşenleri

Türbinler tasarım ve yapısına göre farklı elemanlardan oluşabilir. Ancak, her

türbinde özellikleri farklı da olsa aynı fonksiyonu icra eden benzer bileşenler vardır.

Bir türbinde yer alan belli başlı bileşenler; rüzgâr hızı ölçme cihazı (anemometre),

kanatlar, fren düzeni, kontrol sistemi, dişli kutusu, jeneratör, yüksek ve düşük hız

şaftları, gövde (yatak), pitch, rotor, kule rüzgâr vanası, yaw motoru ve tahrik

gurubundan oluşmaktadır. Bu bileşenlere ait özet bilgiler aşağıda verilmiştir.

Anemometre: Rüzgâr hızını ölçüp elektronik kontrol sistemine ileten bir ölçüm

cihazıdır.

Kanatlar: Türbinlerin çoğu iki veya üç kanatlı olarak tasarlanmaktadır. Kanatlara

çarpan rüzgâr, kanatları kaldırarak döndürmektedir. Kanat yapısı türbinin önden veya

arkadan rüzgâr almasına göre değişmektedir.

53

Frenler: Acil durumlarda, mekanik, elektriksel veya hidrolik olarak uygulanan bir

disk ile rotorun hareketinin durdurulmasını sağlayan sistemlerdir.

Kontrolör (Kontrol Sistemi): Türbinlerin, saatte, 3 ile 5 m/sn’lik rüzgâr hızlarında,

dönme hareketini başlatan, bu hareketi yöneten ve saatte 120 m/sn’yi aşan yüksek

hızlarda durduran beyin fonksiyonu icra eden kritik bir sistemdir. Türbinler fırtınalı

havada ve özellikle saatte 120 m/sn’yi aşan rüzgâr hızlarında, jeneratörleri aşırı

ısındığından çalıştırmazlar.

Dişli kutusu: Dişli kutuları, düşük ve yüksek hız şaftlarının yataklandığı

mekanizmalardır. Jeneratörlerin elektrik üretebilmeleri için dakikada, 1200–1550

devirlik bir döndürme yükü almaları gerekmektedir. Dişli kutuları, rotorun

bağlandığı düşük dönüşlü şafttan gelen dakikada 30–60 lık dönme yükünü, yüksek

hız şaftına 1200–1500 devirlik bir hıza yükselten makinelerdir. Dişli kutularının ağır

olması, kule ömrünü olumsuz etkilemektedir. Günümüzde araştırmaların büyük bir

bölümü, dişli kutuların eliminasyonuna yönelmiştir. Dişli kutuların elimine edilmesi

ile rotor doğrudan jeneratörlere bağlanabilecektir.

Generatör: Elektik üreten makinelerdir. Sincap kafesli indüksiyon generatörü

(SCIG), rotoru sargılı indüksiyon generatörü (WRIG), sabit mıknatıslı senkron

generatör (PMSG) ve rotoru sargılı senkron generatör (WRSG) olmak üzere çeşitli

yapılarda imal edilirler.

High-speed shaft: Generatörü süren, eğer mevcutsa dişli kutusu ile Generatör

arasında bulunan şafttır.

Low-speed shaft: Kanatların bağlandığı mil olup dakikada 30–60 devirle

dönmektedir.

Türbin: Kule üzerine yerleştirilen montaj platformu olup, rotor, dişli kutusu, şaftlar,

jeneratör, kontrolör ve frenleme düzeninin yuvalandığı ana rotor gövdeye monte

54

edilmiş olup, kapasitesine göre bir teknisyenin içinde tamirat yapabileceği kadar

serbest alana sahiptir.

Pitch: Kanatları, aşırı yüksek veya düşük hızlarda dönüşünü kontrol eden döndürme

mekanizmasıdır.

Rotor: Kanatlar ve dişli kutusunun yuvalandığı kapalı mekana rotor adı verilir.

Kule: Yuvarlak veya kafes şeklinde tasarlanan, çelikten yapılmış, tepe düzlemine

türbin gövdesinin yerleştirilmesini sağlayan direklerdir.

Rüzgâr Vanası: Rüzgâr yönünü ölçerek, değişimlere göre, yaw (kuyruk) motoru ile

haberleşmeyi sağlayan, türbini rüzgâr yönüne taşıyan mekanizmadır.

Yaw (Kuyruk) Tahrik: Üç kanatlı türbinlerin rotorları, rüzgâra doğru konuşlanır.

Rüzgârın hız değişimine göre, rotor kafasını, rüzgâra dik tutacak tarzda ayarlayan

mekanizmalardır, iki kanatlı rotorlar, kafalarını rüzgâr doğrultusuna ters

konuşlandırdıklarından, kuyruk kontrol mekanizmasına ihtiyaç duymazlar.

Kuyruk motoru: Kuyruk tahrik sistemini hareketlendiren motordur.

Türbin teknolojisi, başlangıçta basit tekniklerle tasarlanmıştır. Ancak, rüzgâr türbini,

karmaşık bilgisayar modelleri ve tasarım araçlarına ihtiyaç duymaktadır. Gelişen

tasarım teknolojileri, tasarım ve konstrüksiyon araçları, rüzgâr türbinlerinin karmaşık

modelini basitleştirmiştir. Yeni tasarım ve konstrüksiyon bilgileri, her türlü sınır

şartlarına ve değişkenlere kolay adapte olabilmektedir. Tipik bir türbine ait üç

boyutlu benzetim programıyla çizilmiş bileşenler Şekil 4.3’te verilmiştir.

55

Şekil 4.3. Benzetim programı ile çizilen rüzgar türbini

Rüzgâr türbinleri güçlerine göre sınıflandırıldığında, türbinlerin mekanik sistemleri

arasında da belirli farklılıklar ortaya çıkmaktadır. Megawatt türbinlerde mutlak

suretle dişliler ve vites kutusu gibi elemanlar olmasına rağmen, küçük güçlü

türbinlerde bu mekanik parçalara ihtiyaç duyulmamakta ve hatta alternatör direkt

olarak kanatlara monte edilebilmektedir. Büyük güçlü türbinin yapılarına ve gövde

kesitine ait görüntü Şekil 4.4’te verilmiştir [63].

Şekil 4.4. Büyük güçlü rüzgar türbinlerine ait kesit görüntüsü

56

Güç ünitesi bileşenleri yüksek düzensizlikte yük girdilerine maruz kalmaktadır. Bu

sistemler, düzensiz yüklerin etkisi ile daha kısa sürede yorulurlar. Modern bir rüzgâr

türbini için biçilen yorulma süresi 13 yıl olarak kabul edilir. Bu nedenle, rüzgâr

teknolojisinin özel tasarım gereksinimleri vardır.

Rüzgâr türbinleri uygulamada aynı bölgeye birden fazla yerleştirilerek şebekeye daha

fazla enerji vermeleri için kullanılabilirler. Bu tür uygulamalara “rüzgâr çiftliği” adı

verilir. Türbinlerin yerleştirilmesi, enerji toplama ve dağıtım düzenleri önemli

uygulama alanlarıdır.

Büyük güçlü türbinlerde örneğin, 50m rotor çaplı, 800kW’lık geliştirilmiş türbinler,

çift devirli jeneratörlerle donatılmışlardır. Türbin kanatları, özel dokunmuş cam elyaf

veya pulstre edilmiş cam elyaf kompozitlerinden yapılmıştır. Yeni kanatlar, daha

hafif ve daha ömürlüdür. Değişken hızda doğrudan tahrikli bu türbin, doğrudan

jeneratöre bağlıdır.

4.3. Generatörler

Rüzgâr türbinlerinde; senkron (alternatör), indüksiyon (asenkron) ve DA (şönt) tip üç

değişik generatör kullanılmaktadır. Küçük güç sistemlerinde eskiden çok fazla

kullanılan doğru akım generatörleri şimdi genellikle senkron veya indüksiyon

generatörlerle değiştirilmektedir. Bu generatörler, çok pahalı olamayan doğrultucular

yardımı ile kolayca doğru akıma dönüştürülebilen alternatif akım üretmektedir.

Senkron ve asenkron generatörleri orta ve büyük güçlü sistemlerde yaygın olarak

kullanılırlar.

Senkron generatörün doğru akım generatörüne göre avantajı veriminin yüksek olması

ve bir doğru akım generatörüne göre daha düşük dönme hızında elektrik verebilme

özelliğidir. Alternatif akım generatörlerinde maksimum dönme hızı ile elektrik

üretimi için gerekli minimum hız arasındaki oran yüksektir. Böylece bir senkron

generatörü süren bir rüzgâr türbini daha geniş rüzgâr hızı aralığında çalışabilecektir.

Şekil 4.5’te sabit mıknatıslı bir senkron generatöre ait 3D-MAX çizimi verilmiştir.

57

Şekil 4.5. Sabit mıknatıslı senkron generatör

İndüksiyon generatörlere oranla senkron generatörlerin kendi mıknatıslama akımını

sağlama avantajı vardır, fakat daha pahalıdırlar ve kontrol sistem bağlantıları daha

karmaşıktır. Bir kontrol sisteminde takometre, voltmetre, faz metre, şebeke ile

bağlantıyı sağlayan otomatik cihaz ve rüzgâr kesildiğinde veya şebeke gerilimi sıfıra

düştüğünde bağlantının kesilmesini önleyen ters güç rölesi bulunur. Senkron

generatörün şebekeye bağlantısı hassas bir düzenleme ister ve bu işlemin sık sık

yapılması gerektiği için sorunlar ortaya çıkar. Generatör şebekeye tam senkron hızda,

senkron generatör gerilimi şebeke gerilimi ile fazda ve değerde iken bağlanmalıdır.

Bu zorlukların üstesinden büyük damperler kullanılarak gelinebilir. Damperler

senkron generatöre indüksiyon motor gibi yol verilmesini sağlayan sincap kafes

şeklinde bobinlerdir ve şebekeye bağlantı yapıldığında oluşabilen salınımların

azaltılmasını veya bastırılmasını sağlarlar. Diğer bir çözüm rüzgâr türbini ve senkron

generatör arasına generatörü şebekeye sürekli bağlantılı bırakan serbest bir kuplaj

yapılmasıdır. Fakat bu çözüm ekonomik değildir. En ucuz ve en güvenilir çözüm

olarak indüksiyon generatör görünmektedir. Bu generatörlerin belli başlı avantajları;

58

• Tesisi ucuzdur,

• Dönen kontaklar yoktur, bu nedenler başlatma kolaydır,

• Şebekeye bağlantı kolaylığı vardır,

• Şebekeye bağlandığı zaman salınımlar oluşmaz.

İndüksiyon generatör, şebekeye senkron hızdan çok az farklı bir hız ile uyum

gözetilmeksizin bağlanabilir, bağlantı sonucunda oluşan aşırı yükleme çok kısa

sürelidir. Bağlantı kontrol sistemi, şebekeye bağlantıyı kontrol eden takometre

kontağından ve rüzgâr hızı düştüğü zaman bağlantının kesilmesini sağlayan bir ters

akım rölesinden oluşur.

İndüksiyon generatörünün dezavantajı mıknatıslama akımını şebekeden çekmesi

böylelikle reaktif güç tüketmesidir. Bu küçük sorun uçlara kapasitörler bağlanarak

giderilebilir. Kapasitörlerin kullanılması şebekeden çekilen reaktif gücün

azaltılmasını sağlar. Böylece güç faktörü arttırılmış olur.

Eğer rüzgâr hızı türbinin çalışmaya başlama hızından (cut-in) daha yüksekse

indüksiyon generatör kendi nominal dönme hızına ulaştığında elektrik generatörü

olarak davranır. Eğer rüzgâr hızı cut-in’den daha düşükse, bir otomatik ayırma cihazı

generatörü şebekeden ayırır. Bu sistem başlatma torku düşük olan yüksek hızlı sabit

kanatlı makineler için faydalıdır.

Rüzgâr türbini generatörü mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çeviren makinelerdir.

Generatörler mekanik gücü çok fazla düzensizleştiren güç kaynaklarıdır. Gelişigüzel

bir generatör, üç fazlı şebekeye 50 Hz'lik alternatif akım ve iki, üç veya altı kutup ile

direkt olarak bağlanır. Dakikadaki 1000 ile 3000 arasındaki devir ile aşırı yüksek

hızla çalışan türbinlere yerleştirilen dişli kutuların dönme milleri, generatörü

çevirmektedir.

Türbinler için özel olarak tasarlanmış generatörler vardır. Bu generatörler, çok

kutuplu olup, daha yavaş bir tempoda çalışmaktadırlar. Çok kutuplu bir generatör

kullanılarak, şebekeye direkt bağlanılması durumunda, 30 rpm de dönen 200 kutuplu

59

bir bağlantı sistemine sahip olmalıdır. Kutup sayısının, tork'a bağlı olarak artması,

işletmede sorun getirmektedir. Türbinler için özel tasarlanmış olmasına rağmen,

şebekeye direkt bağlanma avantajı, artan kütle ağırlığı ile dezavantaja

dönüşmektedir. Çok kutuplu generatörler, diğerlerine nazaran daha ağır olup, türbin

dinamiğini olumsuz etkilemektedir. Rüzgâr türbinleri için; senkron veya asenkron

generatörler kullanılabilir. Generatörlerin bağlantı şekilleri önemlidir. Generatörlerin

direkt şebeke bağlantısı, jeneratörün alternatif akım şebekesine direkt olarak

bağlanması anlamına gelir. Endirekt şebeke bağlantısı ise, türbine monte edilen ve

ulusal şebeke akımını ayarlayan elektrikli cihazlardan geçen aracılığı ile gerçekleşen

bağlantı şeklidir. Asenkron bir jeneratörle bu faaliyet otomatik olarak gerçekleştirilir.

Yeni nesil türbinlerin önemli bir bölümü, asenkron generatör kullanmaktadır.

Uygulamada kullanılan birkaç generatör tipine ait çizimler Şekil 4.6’da verilmiştir.

Asenkron türbinlerin en belirgin özelliği şekilden de görülebileceği gibi ulusal

şebekeye doğrudan bağlanabilmesidir [64].

60

AA AA

Dişli Kutusu Şebeke

Frekans Konvertör

WRIG

AA AADişli

Kutusu Şebeke

Full-Scale Frekans

Konvertör

PMSG/WRSG/WRIG


WRIG Yumuşak Anahtarlama

Ayarlı Direnç

Kondansatör Grubu


SCIG Yumuşak Anahtarlama

Kondansatör Grubu

Şekil 4.6. Şebekeye direkt bağlı asenkron generatörlü bir rüzgâr türbininin blok diyagramı

Asenkron generatörlü rüzgâr türbinleri tasarım olarak, senkron türbinlerinden daha

farklıdır. Asenkron generatörlü türbinler, daha pahalıdır. Büyük rüzgâr türbinlerinde

kullanılan generatörler genellikle, 690 Volt’luk üç fazlı alternatif akım üretirler.

Üretilen enerji, ulusal iletim şebekesine voltaj yükseltmesi ile aktarılır. Büyük

61

üreticiler 50 Hz'lik rüzgâr türbini modelinden (dünyadaki pek çok elektrik şebeke-

sinde olduğu gibi) ve 60 Hz'lik modelden (Amerika elektrik şebekesinde olduğu gibi)

yararlanır. Elektrik generatörü çoğunlukla bir indüksiyon generatörü veya asenkron

generatörüdür. Modern rüzgâr türbinlerinde 10.000 kW'lık bir üretim gücü

hedeflenmiştir. Halen 10 MW’lık türbinler test aşamasında olup, yakın gelecekte

daha büyük güçte türbinlerin de kullanılacağı bir gerçektir.

Generatör, bir AA veya DA güç kaynağına doğrudan bağlanması durumunda, belli

bir gerilim altında akım sağlayan bir alternatör gibi çalışır. Bunun için her rüzgâr

türbinine ait, generatör, şebeke karakteristikleri çizilmelidir.

4.3.1. Generatör regülâsyonu

Uygulanan elektriksel yöntem ne olursa olsun, verilen gücün mekanik

regülasyonunun yapılması gereklidir. Bu regülasyon ya kanatların ayarlanmasıyla ya

da aerodinamik frenle yapılabilir.

Frekansı generatörün kendisi tarafından düzenlenen bir doğru akım generatörünü

veya bağımsız bir şebekeyi besleyen bir alternatörü süren rüzgâr türbinleri takometre

kullanılarak regüle edilebilir. Değişken açılı kanatları olan ve sabit frekansta bir

şebekeyi besleyen rüzgâr generatörleri için güç regülâsyonu yapmak daha iyidir.

Mekanik hız regülatörü güç çıkışının sınırlanmasına da yardımcı olacak ve jeneratör

şebekeden ayrıldığı zaman hız sınırlamasını da sağlayacaktır.

Sabit frekanslı bir şebekeyi besleyen sabit kanatlı makineler için hız regülasyonu

gerekli değildir. Çünkü rüzgâr rotorunun dönme hızını şebeke belirler. Bu durumda

güç regülasyonu eş zamanlı olarak meydana gelir. Yani dönme hızı sabit olduğundan

rüzgâr hızı arttığı zaman uç-hızı düşer. Böylece verim azalır ve uç-hızı sabit bir

değerde olduğundaki kadar fazla güç elde edilemez. Güç sınırlaması kanadın uç

bölgelerinin kendi frenleme noktalarına yakın çalışmasından dolayı ortaya çıkar.

Bununla birlikte eğer generatör şebekeden ayrılmışsa hız artışından kaçınmak için

62

sabit kanatlı bir makineye frenleme sistemi koymak gereklidir: mile mekanik bir fren

ve kanat uçlarına da aerodinamik fren sistemi.

Bağımsız sabit kanatlı makinelerde regülasyon:

• Güç artışını rotasyonel hızın küpü ile sağlayan hiper kompunt generatörler

• Paralelinde elektronik kontrollü değişken elektrik dirençler bulunan bir yükü

besleyen ve statik kapasitörlerle paralellenmiş olan indüksiyon generatörü ile

sağlanabilir.

Elektrik motoru üreticileri yıllarca kutup bağlama problemleri ile karşılaşmıştır.

Senkron olmayan makine içinde çalışan bir generatör, kütlesi küçüktür. Bu yüzden

rotasyonel hızda boş ve tam dolu arasındaki %1 civarında sapma görülür. Kayma,

generatörün rotor kıvrımlarındaki DA rezistansın bir fonksiyonudur. Yüksek

rezistans yüksek slip anlamına gelir. Başka bir ifade ile rotor rezistansındaki

değişiklik slipteki değişikliğin yöntemi demektir. Motorlarda bu genellikle sarmal

sarımlarla elde edilir. Örneğin, bakır yapılı rotorlar, yıldıza bağı ile dıştaki değişken

rezistanslara bağlıdır. Bu bağlantı, resistörün işlemesini elektronik olarak kontrol

eder. Bağlantı genellikle fırçalarla ve slip yüzükleri ile yapılır. Bağlantılar, aynı

zamanda jeneratör içinde bulunan parçaları da çalıştırır. Birçok hareketli parçalara

sahip generatörler böylece, ekstra bakıma ihtiyaç duyar.

Asenkron generatörlerin bakımı ile periyodik olarak, kayma (slip) yüzükleri, fırçalar

ve dıştaki rezistörlerin muhtemel sorunları giderilmiş olur. Asenkron motor kontrolü

için fiber optik estelasyon yapılmaktadır. Fiber optik estelasyon, önemli bir tasarım

unsuru olup, generatör kalitesini doğrudan etkiler. Türbinlerin değişken işletilmesi,

açı kontrollü pervane düzeni sağlamaktadır. Değişen rüzgâr hızlarına uyum

türbinlerin önemli esnekliklerinden biridir. Derece kontrolü, dişli kutusunun veya

jeneratörün aşırı yüklenmesini önler. Bu, derece mekanizmasının reaksiyon

zamanının türbin tasarımı için kritik faktör olduğu unutulmamalıdır.

63

Türbinlerde, değişken slip jeneratörü mevcutsa, türbinin hesaplanan gücü slipin

artırılması ile dengelenebilir. Slip düzeyi, jeneratör seçiminde önemlidir. Danimarka

türbinlerinde, hesaplanan güce yakın güçle çalışan türbinle maksimum slipin yarısı

kadar jeneratör kullanılır. Ani bir rüzgâr oluşursa, kontrol mekanizması rotorun biraz

daha hızlı çalışması için slip jeneratörünü artırıcı sinyal verir. Böylece, kanatların

rüzgârın olmadığı yöne döndürülmesi ile derece mekanizması çalışmaya başlar.

Derece mekanizması çalıştırıldığında slip azalma sürecine girmiş olur. Rüzgârın ani

esintileri türbinlerde, işlemi tersine çevirebilir.

Asenkron generatörlerde, daha fazla sıcaklık yayan sliplerin kullanılması ve böylece

daha az verimliliğin elde edilmesi, dikkate değer bir husustur. Bu durum generatör

için bir problem oluşturmaz. Burada tek alternatif rüzgârın olmadığı yöne,

derecelenen rotor kanatları tek alternatiftir. Asenkron kontrol stratejisinin

kullanılmasının asıl faydası daha kaliteli güç elde edilmesidir. Generatör kontrol

sistemi, gerilim ve frekans ayarlamaları için kullanılan bir sistemdir. Genellikle,

kontrol ünitesinden yönetilmektedir.

Voltaj kontrolünde, sistemin voltajı, otomatik voltaj regülatörü ile kontrol edilir.

Otomatik voltaj regülatörü rüzgâr türbinine ve hidro senkronize jeneratörüne paralel

bağlanır. Dizel jeneratörler ise akım transformatörleri ile bağlanır.

Frekans kontrolü için, rüzgâr türbini şebekedeyken ve ilaveten hidro şebekedeyken

valfa sağlanan hidro ile frekans kontrolü yük idare sistemine bağlıdır.

Yük kontrolü içinse, güç dalgalanması ve frekansın düşmesi olayında yük idare

sistemi tüketiciye giden yük ve aşırı yükün bağlantısını otomatik olarak keser. Aynı

işlevler frekans ve voltajın yükselmesi sırasında da yapılır.

64

4.4. Türbin Kontrol Sistemleri

Türbin yönetimi, kontrol ünitesinin yönetimi demektir. Kontrol ünitesi yukarıda

özetlenen türbinin beş temel bileşeni işleten sistemdir Türbinler, elektronik, mekanik

ve hidrolik kontrol sistemleri ile yönetilirler [65].

Rüzgâr türbinlerinde kullanılan denetleme mekanizmaları mekanik, elektronik veya

aerodinamik ilkelere dayanan farklı teknikleri kapsar. Denetlenen özelliği dikkate

alarak bir tasnif yapılırsa türbinlerde yön ve hız olmak üzere iki temel denetim

parametresinden bahsetmek mümkündür.

4.4.1. Yön denetimi

Yatay eksenli rüzgâr pervaneleri, pervane dönme ekseninin rüzgâr yönüne paralel

olduğu düşünülerek tasarlanırlar. Bu durumda sistemden en iyi verimi almak için

pervane dönme düzleminin rüzgâr yönüne dik olması gerekir. Fakat rüzgâr yönü

zamanla değiştiğinden sistemin rüzgâr yönünü takip ederek pervanesini uygun yöne

çevirebilmesi için bir “yöneltme mekanizması” kullanması gerekir.

Düşey eksenli pervaneler için yön problemi yoktur. Her yönden gelen rüzgârı

konumlarında bir değişiklik yapmadan değerlendirebilirler. Bu yüzden herhangi bir

yön kontrol sistemi kullanmazlar.

Uygulamada dört farklı yöneltme mekanizmasından söz edilebilir.

• Kuyruk plakası

• Yardımcı pervane

• Arkadan rüzgârlı tertip

• Elektronik kontrollü dişli mekanizması

Kuyruk plakası pervane çapı 6 metrenin altındaki küçük rüzgâr türbinlerinde sıkça

tercih edilen bir tekniktir. Pratik ve ucuz bir sistem olduğundan tasarımcılar

65

tarafından tercih edilmektedir. Kuyruk plakasının çalışma ilkesine ait görüntü Şekil

4.7’de verilmiştir.

A

Kuyruk Plakası

Şekil.4.7. Kuyruk plakası ile çalışan yön bulma sistemi

4.4.2. Hız denetimi

Türbin pervanesinin dönme hızını denetleme gereği temelde üç farklı nedene

dayanır:

• Sistemin verimli çalışmasını sağlamak (maksimum verim bölgesi)

• Sistemin üreteceği gücü sınırlayabilmek (maksimum güç bölgesi)

• Çok yüksek rüzgâr hızlarında sistemin tahrip olmasını engellemek üzere sistemi

durdurmak (emniyetsiz bölge)

Hız Denetim Bölgeleri : Hız denetim yaklaşımlarını daha iyi anlayabilmek için bir

rüzgâr türbininin güç eğrisindeki bölgeleri incelemek faydalı olacaktır.

66

P(kW)

VA VCVB

Pmax

Güç Sınırı

A

B C

----- Pervane alanından geçen rüzgardaki güçTürbinin maksimum verimdeki gücü

V (m/sn)

I IVIIIII

Şekil.4.8. Hız denetim bölgeleri

Şekil 4.8’te belirtilen bölgelerden I. Yetersiz rüzgâr bölgesi, II. Maksimum verim

bölgesi, III. Maksimum güç bölgesi, IV. Emniyetsiz bölge olarak adlandırılır. Bu

bölgelere ilişkin açıklamalar aşağıda kısaca verilmiştir.

Yetersiz Rüzgâr Bölgesi; Rüzgâr türbinleri belli bir VA rüzgâr hızının altında

çalışamazlar. Bu VA hızına kadar olan bölge “ yetersiz rüzgâr bölgesi” olarak

adlandırılır. Bu bölgede sistem çalışmadığı için hız denetimine de gerek yoktur.

Maksimum Verim Bölgesi; Bu bölgede, sistemin maksimum verimle çalışması

halinde, rüzgârdaki enerjinin türbin tarafından yakalanabilecek miktarı türbinin güç

sınırının altındadır. Bu yüzden bu bölgedeki kontrolün amacı aerodinamik verimin

mümkün olan en yüksek değerde olmasını sağlamaktır. Bu durumda güç eğrisinin A-

B noktaları arasındaki bölgesini “maksimum verim bölgesi” olarak adlandırmak

mümkündür. Bu bölgede ideal kontrol, aerodinamik verimin sürekli olarak

maksimum değerde tutulabildiği durumdur. Fakat sabit hızla çalıştırılan türbin

pervanelerinde bu mümkün olmamakta, maksimum aerodinamik verim sadece tek bir

rüzgâr hızında elde edilebilmekte ve diğer rüzgâr hızlarında belli bir verim kaybı

67

kaçınılmaz olmaktadır. Aerodinamik verimin sürekli olarak maksimumda

tutulabildiği durum ancak değişken hızlı denetim yaklaşımıyla elde edilebilmektedir.

Maksimum Güç Bölgesi; Rüzgâr türbinleri tasarlanırken sistemin üretebileceği belli

bir “güç sınırı” ve çalışabileceği belli bir “ hız sınırı ”göz önüne alınır. Pervane

boyutları, generatör ve tüm sistem buna bağlı olarak tasarlanır. Bu yüzden artan

rüzgâr hızıyla birlikte türbinin güç üretimi bu sınıra yaklaştığında artık sistemin

verimli çalışması değil, bu sınırın üzerinde güç üretmemesi istenir. Bu durumda güç

eğrisinin B-C noktaları arasında kalan bu bölgesi “maksimum güç bölgesi” olarak

adlandırılır. Bu bölgede rüzgârdaki enerji türbinin kapasitesinin üzerinde ve

gereğinden fazla miktardadır. Sistem aerodinamik olarak maksimum verim

noktasının altında çalışmasına rağmen maksimum kapasitede güç üretimi yapar.

Başka bir deyişle bu bölgede rüzgâr hızı artarken pervanenin aerodinamik verimi

azalmak durumundadır. Ancak bu şekilde güç sınırında üretim yapılabilir. Bu

bölgedeki hız denetiminin amacı, maksimum kapasitede sabit güç üretimi

sağlamaktır.

Emniyetsiz Bölge; Genellikle rüzgâr türbinlerinin üretim yapabileceği bölgeyi belli

bir rüzgâr hızıyla sınırlandırmak gerekir. Rüzgâr hızının yıllık frekans dağılımına

bakıldığında yüksek rüzgâr hızlarıyla yıl boyunca çok az karşılaşıldığı

görülmektedir. Bu az karşılaşılan yüksek hızlardaki rüzgârlar karşısında sistemin

yeterince dayanıklı yapılması, bu hızlarda sistemden yıl boyunca elde edilebilecek

toplam enerji göz önüne alındığında oldukça pahalı olmaktadır. Bu yüzden

türbinlerin çalışma alanı belli bir rüzgâr hızıyla sınırlandırılır. Şekil 4.4’te yer alan

güç eğrisinde C noktasına karşılık gelen bu rüzgâr hızının üzerindeki hızları

kapsayan “emniyetsiz bölge” de sistemden enerji üretmesi beklenmez. Böylece

yüksek rüzgâr hızlarında oluşabilecek aşırı yüklere engel olunarak sistemin hasara

uğraması önlenir.

68

Maksimum verim bölgesinde değişken hızlı denetim: İlk üretilen rüzgâr türbinlerinde

kullanılan elektrik generatörlerinin yapısı sabit hızda çalışmayı gerektirdiği için

türbin pervaneleri de sabit hızda çalışmak üzere tasarlanmaya başlamıştı. Hız kontrol

yaklaşımı da elektrik generatörü için gereken sabit hız temelinde şekillendi. Sabit hız

kontrolünü sağlamak üzere değişik mekanik ve aerodinamik fren sistemleri, döner

palalı kontrol teknikleri vb. teknikler geliştirildi [66].

Güç elektroniğindeki gelişmelerle birlikte bu alanda yapılan araştırmalar, elektrik

generatörlerinin geniş bir değişken hız aralığında az bir elektriksel verim kaybıyla

nasıl çalıştırılabileceğini ortaya çıkardı. Böylece rüzgârın değişken doğasına daha

uyumlu davranabilen türbin tasarımları ortaya çıkmaya başladı. Bu yeni rüzgâr

türbini tasarımları değişken hız kontrol tekniğine dayanmaktaydı.

Sabit hızlı türbinler sadece tek bir rüzgâr hızında maksimum aerodinamik verimle

çalışırlarken değişken hızlı türbinler optimum verim bölgesindeki her rüzgâr hızında

maksimum aerodinamik verimle çalışabilme imkanına sahip oldu. Bu aynı zamanda

rüzgâr türbinlerinin güç üretiminde de belli bir artışı beraberinde getirdi.

Değişken Hızlı Denetim Yaklaşımına Temel Teşkil Eden Aerodinamik Prensipler ise

şöyle sıralanabilir. Öncelikle türbin pervanesinde, pervane hızının güç üretimi

üzerindeki etkisini incelemek gerekir. Belli bir rüzgâr hızında pervanenin rüzgârdan

çekebileceği gücün pervanenin dönme hızına bağlı değişimini gösteren grafik Şekil

4.9’daki gibidir.

69

P (kW)

? (rad/sn)

Pm

V=5 m/sn

V=6 m/sn

V=7 m/sn

Şekil 4.9. Türbin pervanesinde gücün hıza bağlı değişimi

Buradaki her bir eğri farklı rüzgâr hızlarına aittir. Görüldüğü gibi rüzgâr hızı sabit

iken maksimum güç, sadece belli bir açısal hızda elde edilebilmektedir. Rüzgâr hızı

arttıkça maksimum güç noktasına tekabül eden açısal hız da artmaktadır. Söz konusu

P-Ω grafiğinde her rüzgâr hızı için maksimum güç noktalarını birleştiren bir Pm

eğrisini çizmek mümkündür. Bu durumda pervaneden en iyi aerodinamik verimi

alabilmek için pervanenin Pm eğrisini takip edecek şekilde çalıştırılması gerekir.

Şekil 4.9’da her bir rüzgâr hızı için çizilen eğrileri tekbir eğri ile ifade edebilmek için

güç (P) ve açısal hız (Ω) parametrelerini boyutsuzlaştırıp, güç yerine ‘güç katsayısı’

(CP ), açısal hız yerine de ‘uç hız oranı’ (λ) parametrelerini kullanmak gerekir.

Böylece P-Ω eğrileri basitleştirilerek tek bir CP -λ eğrisine dönüştürülebilir.

Uç hız oranı,

V

RΩ=λ (4.1)

şeklinde ve güç katsayısı da,

3

2

1AV

PC V

P

ρ

= (4.2)

olarak tanımlanmaktadır. Şekil 4.10’da türbin pervanesinde aerodinamik verimin uç hız oranına bağlı değişimi verilmiştir.

70

Cp

Cpmax

≅≅ ≅ Şekil 4.10. Türbin pervanesinde aerodinamik verimin uç hız oranına bağlı değişimi

Bu grafikteki maksimum CP noktası, Şekil 4.9’daki tüm maksimum güç noktalarını

birleştiren Pm eğrisini temsil etmektedir. Bu durumda maksimum verim bölgesinde

hız kontrolü için uygulanacak temel kural “pervanenin, maksimum CP noktasına

karşılık gelen λM uç hız oranını koruyacak şekilde işletilmesi” olarak özetlenebilir.

λM değeri ise tamamen pervanenin aerodinamik tasarımına bağlıdır. Bir fikir

verebilmek amacıyla, aerodinamik kaldırma prensibiyle çalışan modern rüzgar

türbinlerinde bu değerin genellikle 6-8 arasında değiştiğini söylemek mümkündür.

Ama bu sınırların dışına çıkan tasarımlar da mümkündür.

Maksimum güç bölgesinde hız denetim teknikleri: Türbinin rüzgârdan elde

edebileceği güç miktarını belli bir sınırda tutabilmek için türbin pervanesi gittikçe

daha düşük bir aerodinamik verimle çalıştırılır. Artan rüzgâr hızına bağlı olarak

pervanenin aerodinamik verimini ayarlamak üzere “stol kontrol tekniği” ve “döner

palalı kontrol tekniği” olarak adlandırılan iki ayrı teknik kullanılmaktadır.

Stol Kontrol Tekniği: Bu teknik sabit palalı türbin pervanelerini yüksek rüzgâr

hızlarında güç üretimini sınırlamak üzere kontrol etmek için kullanılır.

Önce kontrol tekniğine temel teşkil eden aerodinamik yaklaşım üzerinde durmak

gerekir. Rüzgâr hızı değişmezken optimum hızla çalışan pervanenin yavaşlatılması

uç hız oranını azaltırken pala elemanları etrafındaki hücum açılarını arttırmakta bu da

pala elemanlarında etkili olan kaldırma kuvvetinde “stol” adı verilen bir düşüşe

sebep olmaktadır. Kısacası, uç hız oranı azalırken pala elemanının hücum açısı

71

büyüdüğünden maksimum CP noktasının sol tarafında stol durumu söz konusu olur.

Neticede bu durum pervanenin aerodinamik veriminde CP-λ eğrisinin sol tarafında

gözlenebilen bir düşüşe neden olmaktadır.

Bu etki türbin pervanesinin frenlenmesi ile oluşturulmakta ve böylece yüksek rüzgâr

hızlarında, rüzgâr hızı arttıkça pervanenin aerodinamik verimi azaltılarak, türbin

pervanesinin belli bir sınır değerde (generatörün maksimum kapasitesinde) güç

üretmesi sağlanmaktadır. Yüksek rüzgâr hızlarını içeren maksimum güç bölgesinde

bu yaklaşıma dayanarak kontrol edilen türbin pervanelerine “stol kontrollu türbin

pervanesi” denmektedir. Bu pervanelerdeki palalar kendi eksenleri etrafında

dönmezler; sabit palalardır.

Stol kontrol tekniğini kullanırken pervanenin atalet etkisi, dikkat edilmesi gereken en

önemli etki olarak karşımıza çıkar. Bu yüzden elektronik olarak kontrol edilebilen

etkili ve iyi bir frenleme sistemi kullanmak gerekir.

Döner Palalı Kontrol Tekniği: Maksimum güç bölgesinde kullanılan bir diğer

kontrol tekniği ise döner palalı kontroldür. Bu tekniğin stol kontrol tekniğine göre en

büyük avantajı pervanenin atalet etkisinden kaynaklanan yüklerin en aza

indirilebilmesidir. Bunun sebebi ise değişen rüzgâr hızı karşısında pervane hızını

değiştirme gereğinin stol kontrole göre oldukça az olmasıdır.

Döner palalı kontrol tekniğini kullanan pervanelerde her bir pala kendi ekseni

etrafında dönebilme kabiliyetine sahiptir. Bu sayede elektronik kontrol sistemi

palaların açısını rüzgâr hızına göre ayarlayarak hem pervanenin hızlanmasını hem de

generatöre sınır değerin üzerinde güç aktarımını engelleyebilir.

4.4.3. Elektronik kontrol

Her türbin kendi kontrol ünitesine sahiptir. Kontrol üniteleri, rüzgâr çiftliklerinde,

merkezi kontrol ünitesine dönüşerek, uzaktan kumanda yapılır. Türbinler birbirlerine

fiber optik veya koaksiyel kablolarla bağlanmışlardır. Türbinlerde bulunan elektronik

72

kontrol merkezine, kontrolör adı da verilmektedir. Elektronik kontrolör rüzgâr

türbininin durumunu gösteren bir bilgisayarı içerir. Herhangi bir arıza durumunda,

rüzgâr türbinini otomatik olarak durdurur ve telefon modem bağlantısı üzerinden

türbin operatörünün bilgisayarına bilgi aktarır. Kontrolör, sistemin güven içinde

işlemesini sağlar.

Türbin içerisindeki kontrolör aynı zamanda birçok şalter, hidrolik pompa, valf ve

motordan oluşur. Rüzgâr türbini ölçüleri motorların megawatını artırdığı zaman hızlı

kontrol oranı önem kazanır.

Kontrolör bir iletişim ağı sayesinde kendisi veya rüzgâr türbini operatörü arasında

iletişim kurar. Bu amaçla, telefon veya radyo bağlantısı üzerinden alarm veya servis

isteklerini gönderir. Rüzgâr türbinine toplanan istatistikleri göndermesi ve mevcut

durumu kontrol etmesi de mümkündür. Bir rüzgâr çiftliğinde konuşlanan

türbinlerden gelen veriyi toplayıp kontrol etmektedir.

Bir türbinde iki adet kontrolör bulunur. Kontrolörler genellikle gövdede ve kulenin

en altına yerleştirilir. Günümüzdeki rüzgâr türbini modelleri, kontrolörler arasındaki

iletişim fiber optiklerin kullanılması ile sağlanır. Bazı yeni türbin modellerinde

rotorun hubuna yerleştirilmiş üçüncü bir kontrolör daha bulundurulmaktadır. Üç

kontrolörlü sistemlerde, hata riski daha az olacaktır. Bu ünite genellikle gövde ünitesi

ile iletişimini ana şaft üzerindeki tellere ve kayan yüzüklere bağlı kabloyla seri

iletişim ile sağlar.

Bilgisayarlar ve sensörler, büyük makinelerin operasyon ve emniyet alanlarını

kopyalar. Kontrolör bilgisayar ve sensörlerin doğruluğunu kontrol etmek için türbin

boyunca yapılan ölçümleri mukayese eder. Modern rüzgâr türbininde 100 ile 500

arasındaki parametre değerleri izlenir ve sürekli olarak yorumlanır. Kontrolör rotorun

rotasyonel hızını, jeneratör ve onun voltajı ve akımını kontrol edebilir. Ayrıca

aydınlatıcı etkisini ve şarjı kaydeder. Bunun dışında dış hava sıcaklığı, elektronik

kabindeki sıcaklık, jeneratör sıcaklığı, dişli kutulardaki yağ sıcaklığı, hidrolik basınç,

her bir rotor kanadının derece açılarını (derece kontrollü veya aktif yavaşlatıcı

73

kontrollü türbinler için) rotadan sapma açısını (rota tekerinin dişlerinin sayılması ile),

güç kablosu büküm sayısını, rüzgâr doğrultusunu, anemometre ile rüzgâr hızını,

gövde ve rotor kanatlarındaki titreşim frekansını ve büyüklüğünü, frenleme hattı

kalınlığını, kule kapısının açık veya kapalı olduğunu (alarm sistemi ile) ölçebilir.

Son yıllarda gelişmiş kontrol stratejileri rüzgâr türbinlerinin verimliliğinin artırılması

önem kazanmıştır, ilginç bir strateji üreticilerin operayonel stratejilerini yerel

rüzgârlara adapte etmesidir. Bu yöntemle, elverişsiz iklimlerde ekonomik olmayan

makine kayıplarını minimize edilebilir.

4.5. Rüzgâr Türbinlerinde Maksimum Güç Noktası Takibi

Rüzgâr türbinlerinin rüzgâr enerjisi üretiminde maksimum verimde çalıştırılabilmesi

için, alternatörün parametrelerine bağlı olarak maksimum güç noktasının takip

edilmesi gerekmektedir. Ayrıca rüzgâr hızındaki ani değişiklikler ve türbinin

mekanik tepkilerinin de bilinmesi gereklidir. Bu bilgiler ile birlikte kullanılan

türbinin yapısına bağlı olarak, MPPT kontrol sistemi çeşitlilik göstermektedir. MPPT

kontrol uygulamalarındaki temel farklılıklar şu şekilde sıralanabilir;

• Maksimum güç noktası izleme adımları rüzgâr hızındaki değişimlere bağlı olarak

ayarlanan sistemler,

• PWM sinyalindeki ölü zamanı (dead time effect) doğru belirlemek güç

anahtarlarının kısa devre olmasını, ya da ısınmasını engeller. Aynı zamanda, ölü

zamanın alternatörün dönüş hızıyla senkronize edildiği sistemler ki burada, güç

eğrisinin kararlı olması ve MPP noktasının izlenmesi için alternatörün dönüş

hızıyla senkronize PWM sinyali üretilir.

• Alternatörün dönüş hız referansındaki dalgalanmaları azaltmak için MPPT

kontrolörün çıkışında alçak geçiren filtre kullanılan sistemler. Bu sistemlerde

filtrenin gecikme etkisi ile sistemin mekanik zaman sabiti dikkatle

incelenmelidir.

74

Sonuçta bu sistemlerle, yüksek verimli, düşük maliyetli, hızlı ve kararlı enerji

dönüşümü yapılması amaçlanmaktadır [67].

Rüzgâr türbinleri ile yapılan MPPT uygulamalarında öncelikle kullanılan rüzgâr

türbininin çeşitli rüzgâr hızı değerlerindeki, alternatör hızı ve çıkış gücünü

karşılaştıran eğrileri çıkarılmaktadır. Sonra bu eğrilerden faydalanılarak türbinin

maksimum güç noktaları belirlenmekte ve sistem buna göre düzenlenmektedir. 1,5

kW’lık bir rüzgâr türbini için yapılan deneyler sonucunda elde edilen hız-çıkış gücü

eğrisi Şekil 4.11’de verilmiştir.

500 1000 1500 2000 2500 30000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

12 m/s

11 m/s

10 m/s

9 m/s

8 m/s

7 m/s 6 m/s

5 m/s

Rüzgar Türbini Karakteristiği

Güç

(kW

)

Generatör Hızı (rpm)

Maksimum Güç Eğrisi

Şekil 4.11. 1,5 kW’lık rüzgâr türbininin Hız-Güç eğrisi

Şekilde çeşitli rüzgâr hızı değerlerinde türbinin alternatör dönüş hızına bağlı olarak

elde edilen çıkış gücü eğrileri verilmiştir. Eğrilerin tepe noktalarını birleştiren

üçüncü eğri ise bu türbin için maksimum güç noktası takip eğrisi olmaktadır [68].

Rüzgâr türbinlerinde elektronik olarak maksimum güç takibi işlemi yapılabilmesi

için türbinden elde edilen gerilim değeri ile yüke aktarılacak gerilim değeri arasında

bir fark oluşturulabilmelidir. Bunu sağlamak için güneş enerjisi sistemlerinde olduğu

gibi değişik konvertör yapıları kullanılır. Yükseltici, alçaltıcı ve çifte yükseltici gibi

konvertör yapıları bunlara örnektir. Türbin çıkışından elde edilen üç fazlı AA

75

gerilim öncelikle üç fazlı köprü doğrultucudan geçirilerek, DA gerilim elde edilir.

Elde edilen gerilim konvertöre uygulanarak maksimum güç noktası takibine ilişkin

işlemler uygulanır. Burada amaç türbinden elde edilen gerilimi sürekli olarak

verimin yüksek olacağı bir aralıkta tutabilmektir.

Bu tez çalışmasında 2500 W gücünde, yatay eksenli çalışan ve rüzgârı arkadan alan

yapıya sahip bir rüzgâr türbini kullanılmıştır. Türbinden elde edilen gerilim bir

doğrultucu ve konvertörden geçirilerek çıkış bir fazlı invertöre yönlendirilmiştir.

Türbin kontrolü ve maksimum güç noktasının takibine ilişkin algoritmalar ve diğer

uygulamalar ilerleyen bölümlerde detaylı olarak anlatılacaktır.

76

5. HİBRİT SİSTEM BİLEŞENLERİ

5.1. Konvertörler (DA/DA Çeviriciler)

Rüzgâr türbinleri ve güneş panelleri kullanılarak oluşturulan sistemlerin daha verimli

olması için DA/DA konvertörler kullanılmaktadır. Kullanılan konvertör çeşitleri ise

yükseltici (boost), alçaltıcı (buck) ve alçaltıcı- yükseltici (buck-boost) konvertörler

olarak tanımlanabilir. Konvertörlerin tasarımı sırasında kullanılan anahtarlama

stratejisi, sistemin veriminin arttırılmasını hedeflenmektedir. Bu tür sistemler için en

verimli uygulamanın maksimum güç noktası takibi (MPPT) olduğu belirlenmiştir

[69]. Maksimum güç noktası takibi işleminde güneş panellerinden elde edilen

elektrik enerjisindeki değişimlerin sistemin çıkışında minimum seviyede hissedilmesi

ve konvertörün çıkış geriliminin sürekli olarak sabit tutulması amaçlanmaktadır.

MPPT işlemi sırasında giriş gerilimi ve akımı değerlendirilerek, konvertör türüne

bağlı olarak anahtarlama sinyalinin oranı sürekli olarak değiştirilmekte ve çıkış

gerilimi sabit tutulmaktadır. Ancak bu işlemin yapılabilmesi için öncelikle

kullanılacak olan PV’lerin yapısı ve çıkış gerilim aralıklarının bilinmesi, ayrıca

PV’lerin üretebileceği giriş gerilimine göre sistemde kullanılacak olan konvertör

tipinin belirlenmesi gerekmektedir. Konvertörlerle ilgili çalışmalarda faydalı olması

açısından farklı yapıda konvertörler sırasıyla incelenmiştir.

5.1.1. Konvertör çeşitleri ve yapılarının incelenmesi

Güneş panellerinden elde edilen elektrik enerjisi günün değişik zamanlarında farklı

gerilim değerleri vermektedir. Oluşturulacak sistemin, yükün türüne bağlı olarak

sürekli sabit çıkış gerilimi vermesi istenir. Bunu sağlamak için devreye bir adet

konvertör bağlanmaktadır. Sistemde kullanılacak olan konvertörün yapısını, güneş

panellerinden elde edilen giriş gerilimi (Vi) ile konvertörün çıkış gerilimi (Vo)

arasındaki fark belirlemektedir [70].

Şekil 5.1’de alçaltıcı konvertörün yapısı verilmiştir. Bu tür konvertörler çıkış

geriliminin, panellerden elde edilen gerilime eşit veya daha az olduğu durumlarda

77

kullanılırlar. Devredeki S anahtarlama elemanı yüksek frekansta anahtarlanarak

sistemin güç akışı sağlanır.

+is iL

Vi D

L

C V0

+

-

S

VL+ -

Şekil 5.1. Alçaltan (buck) konvertörün yapısı

Alçaltan konvertörlerde ortalama çıkış gerilimi ile anahtarlama oranı arasındaki ilişki

Eş 5.1’de verilmiştir.

DT

t

V

V ON

İ

O == (5.1)

Şekil 5.2’de yükselten konvertörün yapısı verilmiştir. Devrede S anahtarı kapalı

olduğu zaman akım bobin üzerinden geçmektedir. Bu durumda bobin gerilimi giriş

gerilimine eşit (VL=Vi) olmaktadır. S anahtarının açık olduğu zaman ise, bobin

üzerindeki gerilim giriş ve çıkış gerilimlerinin farkına (VL=Vi-Vo) eşit olmaktadır.

Sonuçta çıkış gerilimi bobin gerilimi ile giriş geriliminin toplamına eşit olmaktadır.

Bu tür konvertörler çıkış geriliminin panellerden elde edilen gerilimden daha büyük

olması istenilen durumlarda kullanılırlar.

78

+

is

iL

Vi

L

C V0

+

-

D

S

-

-VL+

Şekil 5.2. Yükselten (boost) konvertörün yapısı

Yükselten konvertörlerde ortalama çıkış gerilimi ile anahtarlama oranı arasındaki

ilişki Eşitlik 5.2’de verilmiştir.

DV

V

İ

O

−=

1

1 (5.2)

Şekil 5.3’te alçaltıcı-yükseltici (buck-boost) konvertörün yapısı verilmiştir.

Konvertörde, S anahtarı kapalı olduğu zaman bobin gerilimi, giriş gerilimine eşit

(VL=Vi) olmaktadır. Anahtar açık durumda iken bobin gerilimi çıkış gerilimine eşit

(VL=Vo) olmaktadır.

+is

iL

Vi

L VL

C V0

+

-

S

-

D

-

+

Şekil 5.3. Alçaltıcı-Yükseltici (buck-boost) konvertörün yapısı

Alçaltıcı-Yükseltici konvertörlerde ortalama çıkış gerilimi ile anahtarlama oranı

arasındaki ilişki Eşitlik 5.3’te verilmiştir.

79

D

D

V

V

İ

O

−=

1 (5.3)

Yapılacak sistemlerde güneş panellerinden elde edilen gerilim değerinin, sistemin

çıkışında istenilen gerilim değerinden az veya çok olması durumuna göre

belirlenecek konvertör tipi değişmektedir. Ayrıca seçilen konvertör tipine bağlı

olarak MPPT işlemi için kullanılacak olan anahtarlama stratejisi de değişmektedir.

5.2. Eviriciler (DA/AA Çeviriciler)

İnvertörler doğru akımı, alternatif akıma çevirmek için kullanılan elektronik

cihazlardır. Harici invertörler 12V veya 24V'luk bir akü bankasından aldıkları doğru

akımı 220V alternatif akıma çevirmek üzere kullanılırlar.

Senkronize invertörler ise bir güneş paneli veya rüzgâr türbini çıkışına bağlanarak

şebekeye enerji aktarma özelliğine sahiptirler. Eviriciler çıkış gücüne, çıkış dalga

özelliklerine ve yapı tasarımlarına göre gruplara ayrılırlar. Şu anda dünyada 100

Watt'tan 10 kW'a kadar farklı çıkış güçlerine sahip şebeke etkileşimli eviriciler

mevcuttur.

Çıkış dalga özelliklerine göre eviriciler, kare dalga, düzeltilmiş sinüs dalga ve tam

sinüs dalga olmak üzere üçe ayrılmaktadır. Kare dalga ve düzeltilmiş sinüs dalga

(Modified Sinüs) eviriciler daha ekonomik olmalarına rağmen lazer printer ve

flüoresan lambalarda verim kaybına, müzik aletlerinde hışırtıya sebep olmaktadır.

Buna karşılık tam sinüs eviriciler şebeke ile aynı kalitede hatta çoğu zaman daha

yüksek kalitede çıkış verip hiçbir elektrikli aletin çalışmasında sorun

çıkarmamaktadır. Şebekeye enerji aktarabilmek için tam sinüs evirici kullanılması

gerekmektedir. Birçok motorlu alet ilk çalışma anında normal güç tüketiminin birkaç

katı güç çektiği için kullanılan evirici kısa süreler için bu güçte (Surge

Kapasitesi/Anlık Çekim Gücü) çalışma özelliğine sahip olmalıdır.

80

Eviriciler ürettikleri gerilim değerini elde etme yapılarına göre transformatörlü ve

trasformatörsüz olarak iki gruba ayrılırlar. Transformatörlü invertörler girişlerine

uygulanan düşük seviyeli DA gerilimi önce tam veya modifiye sinüs haline getirir,

daha sonra da elde edilen düşük değerli AA sinyali bir transformatörden geçirerek

istenilen AA gerilim seviyesine ulaştırırlar. Transformatörsüz invertörlerde ise giriş

gerilim seviyesi yaklaşık olarak çıkışta istenilen gerilime yakın olmak zorundadır. Bu

tür eviriciler daha hafif ve kullanışlı olmalarına rağmen, dezavantajları ise şebeke ile

galvanik izolasyon sağlamazlar ve şebekeye DA bileşen enjekte ederler.

Kullanılan eviricinin verimi de bir başka önemli parametredir. Aküden aldığı

enerjinin yüzde kaçını alternatif enerjiye çevirdiği verimi belirleyen unsurdur. Birçok

eviricinin üzerinde akü şarj cihazının da entegre edilmiş olması sayesinde güneş

panelleri ve rüzgar türbinleri veya şebeke direkt olarak akülerin şarjında kullanılır.

Transfer hızlarının oldukça iyi olmasından dolayı bu sistemler UPS olarak da

kullanılabilir. Bu uygulamalarda seçilen aküler uygun bir evirici vasıtası ile

şebekeden şarj edilirler, elektrik kesintisi başladığı zaman otomatik veya manuel

olarak devreye girerek evde veya işletmede istenilen elektrikli aletleri belirlenen

sürede kesintisiz olarak çalıştırırlar [71].

5.2.1. Yenilenebilir enerji uygulamalarında kullanılan eviriciler

Güneş enerjisi teknolojisi endüstriyel, ticari ve evsel kullanıma uygundur. PV

sistemler şebeke etkileşimli veya şebekeden ayrı güç sistemlerinde, elektrik

enerjisinin bulunmadığı uzak yerlerdeki telekomünikasyon altyapısı ve su

pompalama tesislerinde kullanılmaktadır.

Yakıt hücreleri son yıllarda popüler olmaya başlayan bir alternatif enerji kaynağıdır.

Kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürürler. Yakıt pilinin plaka yüzeyi akım

şiddetini, plakaların seri bağlanması ise gerilimi etkiler. Birçok plakanın yan yana

bağlanması ile elde edilen sisteme stak (yığın) adı verilir. Staklar kendi aralarında

seri ve paralel bağlanmaları ile istenilen gerilim DA olarak elde edilir.

81

Rüzgâr türbinleri ürettikleri enerjinin maliyetinin klasik kaynaklardan merkezi

üretimle üretilen enerji maliyeti ile rekabet edebilir olması nedeniyle daha geniş

uygulama alanı bulmuştur.

Rüzgâr türbinleri DA veya AA elektrik üretebilmelerine rağmen, küçük güçlerde

türbinin ürettiği AA enerjinin önce doğrultulması ardından da eviriciler kullanılarak

AA enerjiye dönüştürülmesi tercih edilen bir yöntemdir. Yüklerin büyük kısmı ve

elektrik şebekesi AA olduğu için elde edilen bu DA elektrik enerjisinin AA’ya

dönüştürülmesi gerekir. Bu dönüşüm eviriciler ile yapılır. Yenilenebilir enerji

uygulamalarında üç farklı modda çalışan eviriciler kullanılabilir:

• Ada modu çalışan eviriciler

• Şebeke etkileşimli eviriciler

• Şebeke etkileşimli ve ada modu çalışan eviriciler

Ada modu çalışmada evirici yenilenebilir enerji kaynağının ürettiği DA elektrik

enerjisini AA’ya çevirir ve bununla sadece yükleri besler, şebekeye bağlantı söz

konusu değildir. Bu çalışma modunda genellikle gerilim kontrollü eviriciler

kullanılmaktadır. Enerjinin devamlılığı için genellikle bir akü grubu kullanılır [72].

Şebeke etkileşimli eviriciler şebeke ile paralel çalışmaktadırlar. Enerji kaynağının

ürettiği enerjiyi şebekeye aktarabilirler. İhtiyaçtan fazla olan enerjinin şebekeye

aktarılmasını imkân tanıdığından verimli bir çalışma sağlarlar. Şebeke etkileşimli

evirici sadece DA gerilimi AA gerilime çevirmekle kalmaz aynı zamanda şebeke

geriliminin frekansı ve genliği ile senkronize olarak çalışır. Ayrıca birim güç faktörü

için şebekeye enjekte ettiği akımın şebeke gerilimi ile aynı fazda olması ve akım

dalga şeklinin sinüs şeklinde olması gerekmektedir. Bununla ilgili uluslararası

standartlar yayınlanmıştır. Şebekeye enjekte edilen akımın dalga şekli ve fazı önemli

olduğundan genellikle akım kontrollü olarak tasarlanırlar.

Herhangi bir nedenle şebeke kesildiğinde elektrik adalarının ve neden oldukları

problemlerin oluşmasını engellemek için şebeke etkileşimli eviriciler durdurulurlar.

82

Ancak bazı uygulamalarda yüke kesintisiz enerji sağlamak için gerekli tedbirler

alınarak eviricinin çalışmasına devam etmesi sağlanır. Bunun için eviricinin yükün

enerjisini kesmeden şebeke etkileşimli çalışma durumundan ada modu çalışma

durumuna geçmesi gereklidir. Başka bir deyişle akım kontrollü çalışmadan gerilim

kontrollü çalışmaya geçmelidir.

Şebeke etkileşimli evirici, şebekeye bağlanacağından kuruluşlarının belirlediği

standartlara uyulmalıdır. Özellikle gelecekteki uluslararası standart (taslak

aşamasındaki) IEC61727 ve günümüzdeki standartlar EN61000-3-2, IEEE1547 ve

U.S. National Electrical Code (NEC)690 dikkate alınmalıdır. Bu standartlar güç

kalitesi, ada modunun tespiti, topraklama vb. gibi konularla ilgilidir [73].

IEEE ve IEC şebekeye enjekte edilen DA akımın maksimum kabul edilebilir

miktarına sınırlandırmalar getirmektedir. Bu sınırlandırmanın amacı dağıtım

transformatörlerinde oluşabilecek doymanın önüne geçmektir. Bununla beraber

sınırlar oldukça küçüktür (anma çıkış akımının %0,5 ve 1,0) ve bu küçük değerlerin

eviricideki uyartım devreleri ile tam olarak ölçülmesi zor olabilir. Bu geliştirilmiş

ölçüm devreleri veya evirici ile şebeke arasına hat frekanslı bir transformatör

eklenerek azaltılabilir. Bazı eviriciler, PV ve şebeke arasında galvanik izolasyonu

sağlamak için yüksek frekanslı DA/DA konvertörle bütünleşik transformatör

kullanırlar. Bu DA akım enjeksiyonu problemini çözmez ancak PV modüllerin

topraklanmasını kolaylaştırır.

NEC 690 standardı maksimum çıkış geriliminin 50V gibi belirli bir değere ulaşan PV

modüllerin topraklı ve toprak arızalarına karşı izlenen bir sistem olmasını gerektirir.

Sistem topraklaması, PV modülün negatif (veya pozitif) ucunun toprağa

bağlanmasını gerektirir. Bu, şebekenin faz-nötr uçlarına bağlanan bir fazlı eviricinin

zaten şebeke tarafında topraklı olması nedeniyle, pek çok yüksek güçlü

transformatörsüz sistem için sorun olabilir. Diğer elektrik idareleri elektriksel

izolasyonun olmaması durumunda sadece donanımın topraklanmasını isterler.

Donanımın topraklanması çerçevelerin ve diğer metalik parçaların toprağa

bağlanmasıdır.

83

Ayrıca eviriciler ada durumunu tespit edebilmeli ve insanları ve ekipmanı

koruyabilmek için uygun ölçümleri yapabilmelidir. Ada etkisi, herhangi bir arıza

veya kaza nedeniyle şebekenin kesilmesi durumunda eviricinin çalışmasına devam

etmesidir. Başka bir deyişle şebekenin kesilmesi sonucunda eviricinin yerel yükleri

beslemek zorunda kalmasıdır [73].

Şebeke etkileşimli eviriciler için ada modunun tespiti ve eviricinin ada modunda

çalışmasının önlenmesi önemli bir gereksinimdir. Fotovoltaik sistemler için anti-ada

modunu da kapsayan test standartları IEEE 929-2000 (Recommended Practice for

Utility Interface of Photovoltaic Systems) ile belirtilmiştir. IEEE 929 pek çok konuya

işaret etse de en önemli bölümleri normal olmayan şebeke koşullarında PV

eviricilerin tepkisini içeren güvenlik ve koruma fonksiyonları ile ilgili olanlardır. Bu

normal olmayan koşullar gerilim ve frekans değişimi ile istenmeyen elektrik

adalarının oluşmasına neden olan şebekenin kesilmesi durumlarıdır. IEEE 929’a göre

hangi durumlarda eviricinin şebekeden ayrılması gerektiği ve bunu en fazla ne kadar

zaman içinde yapması gerektiği Çizelge 5.1’de verilmiştir.

Yüksek gerilim rölesi, alçak gerilim rölesi, yüksek frekans rölesi ve alçak gerilim

rölesi bulunduran bir evirici temel ada modu tespit yeteneğine sahiptir. Gerilim

seviyesi veya frekans normal aralığın dışına çıkarsa şebekenin hatalı olduğu

düşünülür ve evirici durdurulur. Bununla beraber bu yöntemler kaynak-yük dengeli

olma durumunda şebeke kesilse dahi ada modunu tespit edemezler [74].

Çizelge 5.1. IEEE 929 standartlarına göre şebekeden ayrılma durumları ve zamanları

Şebeke Etkileşimli Çalışma İçin Gerilim ve Frekans Sınırları

Durum Gerilim Frekans Maks. Açma Zamanı

A 0,5 Vnom fnom 6 saykıl

B 0,5 Vnom<V<0,88 Vnom fnom 2 saniye

C 0,88 Vnom ≤ V ≤ 1,10 Vnom fnom -

D 1,10 Vnom<V<1,37 Vnom fnom 2 saniye

E 1,37 Vnom ≤ V fnom 2 saykıl

F Vnom f<fnom-0,7 Hz 6 saykıl

G Vnom f>fnom+0,5 Hz 6 saykıl

84

Tespit yeteneğini arttırmak için geliştirilen diğer yöntemlerden biride gerilim

harmoniklerinin izlenmesidir. Bu metot dağıtım transformatörlerinin doğrusal

olmayan karakteristiklerine dayanır. Güçlü bir gerilim kaynağı (şebeke) olmaz ise

evirici tarafından transformatöre enjekte edilen akım büyük gerilim harmoniklerine

neden olur. Harmonik seviyesi arttığında verimli biçimde ada modu tespit edilmiş

olur.

Faz atlama tespit yöntemi adı verilen başka bir yöntem evirici gerilimi ve akımı

arasındaki faz farkını izler. Şebeke etkileşimli çalışmada evirici akımı şebeke

gerilimi ile aynı fazdadır. Şebeke kesildiğinde ise evirici gerilimi ve akımı arasındaki

faz farkı yük tarafından belirlenir. Bu ani faz değişimi koruma devresini tetikler ve

evirici durdurulur. Ancak bu yöntem omik yük durumunda ada durumunu tespit

edemez. Bu yöntemlerin hepsi pasif yöntemlerdir. Evirici geriliminin izlenmesini

temel alırlar ve her yük durumu için başarılı değildirler. Bu nedenle aktif yöntemler

geliştirilmiştir [74].

Aktif yöntemlerden birisi evirici çıkış gücünü periyodik olarak değiştirmektir. Bu

kaynak-yük dengeli durumunda ada modunun tespitini amaçlar. Ancak bu metot güç

sistemindeki bütün eviriciler arasında zaman senkronizasyonu gerektirdiğinden

pratik değildir. Son zamanlarda bu problemin çözümü için frekans kaydırma

metotları incelenmeye başlanmıştır.

5.2.2. Evirici topolojilerinin sınıflandırılması

Evirici topoljileri güç işleme aşamalarının sayısına, güç dekuplaj kondansatörünün

yerine, transformatör kullanılıp kullanılmamasına ve şebeke arayüzünün tipine göre

sınıflandırılır.

Güç işleme aşaması sayısı: Güç işleme aşamalı eviriciler tek aşamalı ve çok aşamalı

eviriciler olarak gruplara ayrılabilirler. Şekil 5.4’te tek ve çok aşamalı eviriciler

görülmektedir.

85

PV

DA

AA

ŞEBEKE

PV

DA

AA

ŞEBEKEDA

DA PV

DA

AA

ŞEBEKEDA

DA

PV

DA

DA

(a) (c)(b) Şekil 5.4. PV evirici tipleri a) Tek güç işleme aşamalı b) İki güç işleme aşamalı

c) Her PV modülün veya stringin ortak DA/AA eviriciye bağlı olan ayrı DA/DA konvertörlere bağlanan iki güç işleme aşamalı evirici

Şekil 5.4(a)’da tek aşamalı evirici görülmektedir. Bu evirici MPPT, şebeke akımı

kontrolü ve eğer gerekli ise gerilim yükseltimi gibi bütün görevleri yerine

getirmelidir. Şekil 5.4(b)’de iki aşamalı evirici görülmektedir. Bu sistemde

maksimum güç takibi, yani istenirse gerilim yükseltimi DA/DA konvertör tarafından

gerçekleştirilmektedir. DA/AA eviricinin kontrol sistemine bağlı olarak DA/DA

konvertörün çıkışı saf DA gerilim olabildiği gibi çıkış akımı doğrultulmuş sinüs

dalgasını takip etmesi için modüle edilmiş de olabilir. İlk yöntemdeki DA/AA

evirici, PWM veya histeresis gibi yöntemler ile şebeke akımını kontrol eder. Diğer

çözümde DA/AA evirici doğrultulmuş akımı tam sinüse çevirmek için şebeke

frekansında anahtarlanırken akım kontrol görevini DA/DA konvertör yerine getirir.

Nominal güç düşük ise ikinci yöntemde yüksek verim elde edilebilir. Ancak eğer

nominal güç yüksekse şebeke etkileşimli eviricinin PWM kontrollü çalıştırılması

tavsiye edilir. Şekil 5.4(c)’de multi-string evirici için çözüm görülmektedir. Her

DA/DA konvertörün görevi MPPT ve eğer gerekli ise gerilim yükseltimidir. Bu

konvertörler şebeke akımını kontrol eden ortak DA/AA eviriciye bağlıdır. Bu yöntem

her PV modülün/stringin kontrolü daha iyi yapılabildiğinden faydalıdır [73].

Güç dekuplajı: Güç dekuplajı normalde elektrolitik kondansatör ile yapılır. Bu

eviricinin ömrünü belirleyen en önemli parçadır. Bu nedenle mümkün olduğu kadar

küçük olmasına çalışılmalı ve tercihen film kondansatörler kullanılmalıdır.

Kondansatörler Şekil 5.5’te görüldüğü gibi PV modüller ile paralel bağlanabildiği

gibi evirici aşamalarının arasındaki DA barasına bağlanabilir.

86

PV

DA

AA

(a)

PV

DA

AA

DA

DA

(b)CPV CDCCPV

ŞEBEKE ŞEBEKE

Şekil 5.5. Güç dekuplaj kondansatörünün değişik yerleşimi a) Tek aşamalı eviricide kondansatör PV modül ile paralel bağlı b) Çok aşamalı eviricide kondansatör hem PV modül ile paralel bağlı hem de DA linke bağlı

Dekuplaj kondansatörünün kapasitesi,

CCgrid

PV

uUw

PC

ˆ2 ⋅⋅⋅= (5.4)

ile hesaplanabilir. Burada PPV, PV modüllerin anma gücü, UC kondansatör

uçlarındaki gerilim ve Cu ise rıpıl genliğidir.

5.2.3. Transformatörler ve bağlantı tipleri

Bazı eviriciler DA/DA konvertör veya DA/AA evirici bünyesinde yüksek frekanslı

transformatörler içerirlerken bazıları şebeke tarafında hat frekanslı transformatör

kullanırlar. Bazı eviriciler de Şekil 5.6’da gösterildiği gibi transformatör içermezler.

Hat frekanslı transformatörlerin ağırlık, boyut ve maliyetlerinin artmasından dolayı

modern eviricilerde yüksek frekanslı transformatörler kullanırlar.

DA

AA

(a)

PV

AA

AA

ŞEBEKE

HFT

DA

AA

(b)

ŞEBEKE

YFT

AA

DA

DA

AA

(c)

YFT

Şekil 5.6.Transformatörlü evirici örnekleri

Şekil 5.6.(a)’da verilen yapı, şebeke ile evirirci arasına hat frekanslı transformatör

(HFT) bağlı durumu göstermektedir. Bu tür bir bağlantı şebekeye DA akım enjekte

edilmesi problemini çözmektedir. Şekil 5.6. (b)’deki yapıda ise HF link şebeke

87

etkileşimli AA/AA eviriciye bütünleşik yüksek frekanslı transformatör (YFT) şekli

verilmektedir. Şekil 5.6. (c)’de ise DA-link PV modüle bağlı DA/DA konvertöre

gömülü YFT yapısı verilmektedir.

Transformatör, eviricilerde kullanıldığında bazı problemler ortaya çıkar. PV

modüllerin çıkış gerilimi 50V’un altında olduğunda sistemin topraklanması gerekli

değildir. Boost konvertörlerle gerilim verimli biçimde en fazla iki kat

arttırılabildiğinden PV modül gerilimi 23-45V aralığında olduğunda transformatör

kullanmadan gerilimi verimli bir şekilde yükseltmek zordur. Eviricinin hem giriş

hem de çıkışı topraklandığında normal köprü tipi evirici şebeke etkileşimli olarak

çalışamaz. Henüz hem giriş hem de çıkışında topraklanabilen, sadece birkaç yüksek

giriş gerilimli transformatörsüz topoloji bilinmektedir.

5.3. Aküler

Güneş ve rüzgâr enerjili elektrik sistemlerinde aküler güneş panellerinden ve rüzgâr

türbinlerinden gelen DA gerilimin depolanmasında kullanılırlar.

Coğrafi şartların ağır olduğu (yazın aşırı sıcak, kışın aşırı soğuk) yerlerde kurulan

güneş enerjili sistemlerde akülerin bu şartlara dayanıklı olarak seçilmesi

gerekmektedir. Sıcaklıklardaki aşırı artış veya düşüşler akünün depolama

kapasitesini ve derin deşarj durumları özelliklerini hızla yitirmelerine neden olur.

Güç ihtiyacı düşük uygulamalarda 12 V'luk tam bakımsız aküler kullanılmaktadır.

Daha büyük güç ihtiyaçlarında ve telekom sistemlerinde 2 V'luk sabit tesis

(stasyoner) özel güneş aküleri kullanılmaktadır. Her iki akü tipinin de ortak

özellikleri uzun ömürlü olmaları, gaz çıkışının olmaması veya minimum seviyede

tutulması, derin deşarj özelliği ve bunu yaklaşık olarak 300–1500 defa

tekrarlayabilme kabiliyeti, su ekleme ihtiyacının çok geniş zaman aralıkları

(minimum 1 yıl) içinde ortaya çıkması olarak özetlenebilir.

88

Akü bankasının büyüklüğü tam rüzgârsız ve güneşsiz arka arkaya gelen günlerde

sistemin kesintiye uğramayacağı şekilde tasarımlanır. Genelde 3 ile 6 gün arasında

verilen otonomi süresi sayesinde muhtemel bir arıza anında, bakım ve servis

çalışmaları sürecinde de bir kesinti yaşanmaz. Güneş panelleri ve rüzgâr türbinleri ile

aküler arasında mevcut kontrol üniteleri sayesinde aküler en uygun akım ve gerilim

kombinasyonu ile şarj edilmektedirler [75]. Ayrıca akülerin uygun invertörler ile

bağlanması ile elektrik kesintilerine karşı etkili UPS sistemleri oluşturulur.

5.3.1. Akü çeşitleri

Az bakımlı tüplü sabit tesis (OPzS) aküleri: Genel kurşun asitli sabit tesis akülerinin

teknolojik olarak geliştirilmiş biçimidir. Kullanıcı için yüzdürme gerilimiyle çalışma

sisteminde, minimum bakım ve düşük enerji maliyeti dikkate alınarak, özel şekilde

tasarlanarak üretilmişlerdir. Temel özelliği, düşük antimonlu kurşun alaşımı

nedeniyle kendi kendine deşarj az olması dolayısıyla su kaybını büyük ölçüde

azaltmış olmasıdır. Aktif maddeyi tutuşu ve şarj deşarj kabiliyeti aynı seviyededir.

Az bakımlı sabit tesis tüplü (OPzS) akümülatörleri; şeffaf, kutulu olarak imal

edilmektedir. Kapasiteleri 150–5000 amper saat arasında olmaktadır. Bu

akümülatörler aşağıda belirtilen alanlarda büyük avantaja sahiptirler.

Kolay montaj edilebilir ve tam şarjlı veya kuru şarjlı olarak sevk edilebilirler. Ucuz,

çabuk, emniyetli ve fazla eğitim istemeyen montaj özelliğine sahiptirler. Az bakım

gerektirirler. Normal yüzdürme şarjı altında 2–3 yıl veya daha fazla süre için saf su

ilavesi gerektirmezler. Şeffaf plastiklerde elektrolit seviyesini gösteren min/max

seviye çizgileri kutuların üzerindedir. Diğer kutular içinde bulunan hücreler için

elektrolit seviye gösterge buşonları vardır. Asit sızdırmazlar ve akıtmazlar.

Yapıştırarak monte edilmiş kapak ve özel şekilde yapılmış kapak buşonları sayesinde

dışarıya asit sıçrama ve sızması olmaz. Uzun ömürlüdürler. 1200–1500 şarj deşarj

işlemine dayanıklıdırlar. 10–15 yıl ve üzerinde ömürleri vardır. Bir saatten fazla

deşarj zamanı isteyen bütün alanlarda, diğer tiplere göre daha ekonomiktirler. Bu tip

akülerin yapı özellikleri sıralanacak olursa;

89

Pozitif Tüplü Plaklar: Pozitif plak ızgaraları kurşun antimon alaşımından belli

sayıdaki çabuklar ile bunları üstten birbirine bağlayan baradan oluşur. Bu çubuklara

birbirine örülü tüplerden oluşan tergal geçirilir. Her tüp yuvası kurşun çubuklarla iyi

temas edecek şekilde aktif madde ile doldurulur. Formasyon şarjında aktif madde

sıkı bir katı haline gelip, tüp çeperi ve kurşun çubuklarla bir bütün haline gelir.

Yüksek gözenekliliğe sahiptir. Elektrik iletimi için çubuklarla uygun bağlantısı

vardır. Elektrolit, aktif madde içinde ve tüpler arasında rahat hareket eder. Kullanılan

düşük dirençli ve uzun ömürlü polyester tüpler sayesinde pozitif aktif maddenin

dökülmesi problemi ortadan kalkmıştır.

Negatif Plaklar: Negatif plaklar, kurşun-antimon alaşımından özel tasarım yapılmış

ızgaraların yuvalarına basınç ile aktif madde sıvanmak suretiyle yapılır. Tüplü pozitif

plaklar ile aynı ömre sahiptirler.

Seperatörler: Mikro gözenekli seperatörler kullanılır. Aktif madde toplanmalarında

ve yıpranma sırasında iç kısa devre olmasını önler. Akım geçişini ve elektrolit

hareketini kolaylaştıran özelliktedirler.

Elektrolit: Sülfürik asidin saf su ile karışımından meydana gelen elektrolit tam şarjlı

durumda akümülatör içinde 20ºC'de 1,24 gr/cm3 yoğunluğundadır.

Hücre Kapları: Hücrelerin kapları yüksek kalitede şeffaf plastik veya ebonitten

yapılmaktadır.

Buşonlar: Özel şekilde tasarlanmış buşonlar sayesinde sıçrayan tüm asit zerrecikleri

hücre içine döner. Serbest hale geçen oksijen ve hidrojenin rahatça çıkışını sağlar.

Alev geçirmeme özellikleri vardır.

Hücre Çıkışları ve Bağlantıları: Hücre çıkışları kurşun - antimon alaşımından olup,

hücreler arası bağlantıların direnci, olabildiğince düşük olacak şekilde yapılarak

voltaj kayıpları önlenmiştir.

90

VRLA aküler: Bu tip akülerin teknik özellikleri sıralanacak olursa:

• Tamamıyla kapalı, bakımsız tiptir.

• Çok geniş bir ısı yelpazesinde çalışabilir.

• Özel alçak basınçlı emniyet valfleri ile teçhiz edilmiştir.

• Tampon şarjda ya da çoklu döngü şarjda çalışmaya müsaittir.

• Tamamen oksijen rekombinasyonuyla çalıştığından gaz sızdırmazlar.

• İç direnci düşük olup, rafta beklemede kayıpları son derece düşüktür. Yatay,

dikey herhangi bir pozisyonda çalıştırılabilir. Ters çevrilse bile asit sızdırmaz.

• Kullanılan özel kalsiyum alaşımlı ızgaralar uzun ömür ve yüksek performans

sağlar.

• Tampon şarjda 5 yılın üzerinde, çoklu döngülü çalışmada 1000 döngünün

üzerinde ömre sahiptir.

• Kullanılan özel "Glas Mat" seperatör sayesinde maksimum elektrolit ihtiva eder,

yüksek performans sağlar.

• Stasyoner tip’tir.

Kullanım alanları ise, alarm sistemleri, kontrol cihazları, telefon santralleri, kablolu

televizyon, haberleşme cihazları, kesintisiz güç kaynakları, yangın emniyet

sistemleri, yedek aydınlatma sistemleri, tıbbi cihazlar, denizcilik donanımları,

taşınabilir tv ve videolar, mikroişlemcili ofis makineleri, oyuncaklar, güneş enerji

sistemleri, telekomünikasyon cihazları vb.

Dryfit solar aküler (A600Solar): Dryfit Solar aküler Sonnenschein firmasının

geliştirmiş olduğu bir ürün olup, dryfit teknolojisinin getirdiği yüksek performanslı

yapıdadır. Solar akülerin döngü yetenekleri yüksek olup, derin deşarja dayanıklıdır.

Solar aküler şarj dışında ayrıca bakım gerektirmezler. Diğer dryfit aküler gibi ayrı bir

akü odası gerektirmezler ve şarj edilmeden 2 yıl 20 °C da stoklanabilirler. Jel

elektrolitli olduğundan sızdırma yapmazlar.

91

Uygulama örnekleri ise güneş enerjisiyle çalışan güç istasyonları, cadde

ışıklandırılması, telekomünikasyon sistemleri, deniz fenerleri, karavanlar, gemiler,

ölçü istasyonları, alarm sistemleri, vb.

5.4. Şarj Denetim Birimleri

Denetim birimlerini güneş, rüzgâr enerjili sistemlerin beyni olarak nitelendirmek

doğru bir yaklaşım olacaktır. Denetim birimlerinin başlıca fonksiyonları akülerin en

uygun şartlarda şarj ve deşarj edilmesi, sıcaklık ayarları, yıldırım kontrolü, farklı

koruma/sigorta sistemleri, merkeze farklı alarmları yollaması, rüzgâr türbinleri ve

güneş panellerinden gelen tüm verileri kaydetmesi ve opsiyonel bir modem aracılığı

ile istenilen merkeze yollaması olarak özetlenebilir [76].

Denetim birimlerinin amperajı güneş panellerinden gelecek maksimum akımın %25

fazlasını tolere edecek şekilde tasarlanmalıdır. Güneş panelleri genelde ilk 2–3 yıl

boyunca ortalama değerlerinin üzerinde üretim yaptıkları için bu sağlıklı bir sistem

tasarımı için çok önemlidir.

Bu denetim birimleri üzerindeki dijital göstergeler akü voltajı, birim hücre voltajı, o

anda üretilen elektrik miktarı gibi veriler okunabilmektedir. Denetim birimleri birçok

özellikleri kullanıcı tarafından değiştirilebilmektedir. Örneğin akü voltajının istenilen

voltaja geldiğinde şarjın kesilmesi, yine akü voltajının belli bir değerin altına

düşmesi durumunda verici sistemine zarar gelmemesi için yük bağlantısının otomatik

olarak kesilmesi ve voltaj yükseldiğinde yine otomatik olarak güç vermeye başlaması

gibi özellikler tanımlanabilmektedir.

Denetim birimlerine entegre edilen telsiz veya gsm modem vasıtası ile çalışan veri

transmisyonu sistemleri sayesinde okunan değerler merkez istasyona yollanırlar.

92

5.5. Diğer Sistem Bileşenleri

Sistem bileşenleri dışında sisteme destek veren bu bileşenler arasında diyotlar,

kablolama, bağlantı kesme elemanları, sigortalar, topraklama elemanları, aşırı

akımdan koruma elemanları ve montaj parçaları yer alır.

Bloklama diyotu, gündüzleri güneş panelleri üretim yaparken akımı geçirir, geceleri

ise ters yönde akıma engel olarak akülerin boşalmasını önler. Bypass diyotu ise

gölgelenme nedeniyle ya da modül yapısındaki başka bir sorundan dolayı açık devre

oluşması durumunda devreye girerek akımın kesintiye uğramasını önler.

93

6. TASARIM VE UYGULAMA

Bu tez çalışmasında, rüzgâr ve güneş enerjilerinin birlikte kullanıldığı bir hibrit

enerji santrali tasarlanarak uygulaması yapılmıştır. Bu sistemde rüzgâr türbini ve

güneş panellerinden elde edilen elektrik enerjisi aynı DA barada birleştirilerek ve

evirici yardımıyla yüke yönlendirilmesi amacıyla kullanılmak üzere iki adet

yükselten konvertör tasarlanmış ve uygulamaları tamamlanmıştır. Yedekleme

amacıyla konvertör çıkış gerilimiyle akü grubu şarj edilmektedir. Akü grubu şarj

edildikten sonra ihtiyaç fazlası elektrik enerjisi şebeke ile paralel çalışabilen bir

evirici yardımıyla şebekeye verilmektedir. Böylece, tasarlanan sistem kesintisiz güç

kaynağı görevini de üstlenmektedir. Önemli diğer bir faydası ise, elektrik enerjisinin

ihtiyaçtan fazla olması halinde kullanıcının belirli bir dönem satıcı konumunda

olabilmesi ve ödenecek fatura bedelini azaltarak ekonomik katkı sağlayabilmesidir.

Uygulaması yapılan sistemde, rüzgâr türbininden ve güneş panellerinden elde edilen

elektrik enerjilerinin birleştirildiği konvertörler birbirleri ile paralel çalışabilecek

şekilde ve elde edilen çıkış gücünü devamlı olarak maksimum seviyede tutmak

amacıyla MPPT yapacak şekilde tasarlanmışlardır. Her iki konvertörde bir mikro

denetleyici üzerinden kontrol edilmekte ve sistemin akım ve gerilim bilgileri burada

değerlendirilmektedir. Hibrit sistemde güneş panellerinden en yüksek verimi

alabilmek için paneller güneşi takip edecek şekilde tasarlanmıştır. Güneş takip

sistemi olarak tek eksenli ve iki eksenli mekanik takip sistemleri hazırlanmış, bu

mekanik sistemlerin elektronik kontrolü ise hem dinamik takip, hem de

kararlaştırılmış takip sistemleri kullanılarak yapılmıştır. Güneş panellerinde ve

rüzgâr türbininde üretilen enerjileri veri olarak toplayabilmek ve bilgisayar üzerinden

sistemlere müdahale edebilmek amacıyla her iki sistem için birer kontrol devresi ve

bu devreleri bilgisayarla RS485 ve RS232 hatları üzerinden haberleştirecek devreler

tasarlanmıştır. Sistem bileşenlerinin bilgisayar üzerinden kontrolü için ise VISUAL

C# dilinde arayüzler tasarlanarak sistem 24 saat boyunca takip, kontrol ve kayıt

aşamalarında çalıştırılmaktadır. Ayrıca sistemin diğer parçaları olan evirici,

konvertör, akü şarj ünitesi, iletişim modülleri ve diğer elektronik devreler bir araya

94

getirilmiştir. Güneş ve rüzgâr ile ilgili olarak üç aylık bir süre için veri toplama

işlemi yapılmıştır.

6.1. Hibrit Enerji Sisteminin Uygulanması

Güneş ve rüzgâr enerjileri birlikte kullanılarak oluşturulan hibrit sistemin

uygulamasındaki işlem sırası aşağıda verilmiştir.

Uygulanan sistemin blok diyagramı Şekil 6.1’de verilmiştir. Öncelikle rüzgâr türbini

ve güneş panellerinin kurulacağı yer için araştırma yapılmış ve ilgili kurumlardan

veri toplanmıştır. Rüzgâr türbini ile güneş panelleri Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim

Fakültesi Elektrik Eğitimi Bölümü B-Binası çevresine kurularak deney süresince

beslenecek yük bağlantıları gerçekleştirilmiştir. Rüzgâr türbininden elde edilen üç

fazlı AA gerilim, bir üç fazlı köprü doğrultucu yardımıyla alternatör yapısının uygun

olması halinde yani yıldız noktası ayrılabilir ise aktif PFC (Power Factor Correction)

ile değilse köprü doğrultucu ve yükseltici konvertör yardımıyla DA gerilime

dönüştürülmektedir. Güneş panellerinden elde edilen enerjinin verimini artırmak

amacıyla güneş takip sistemi uygulanmaktadır. Güneş panellerinden ve üç fazlı

doğrultucudan elde edilen doğru gerilim yükseltici konvertörler yardımıyla ortak DA

baraya aktarılmaktadır. Buradaki ünitelerin akım, gerilim ve güç bilgileri de dikkate

alınarak, DA bara gerilimi sabit tutulmaktadır. Bu işlemi gerçekleştiren donanım

tasarlanmış ve mikro denetleyici yazılımı HI-TECH C dilinde hazırlanmıştır. Hem

DA baraya, hem de şebekeye bağlı şarj ünitesi yardımıyla akü grubu mikro

denetleyicinin kontrolü altında şarj edilmektedir. Akü grubundan veya yükseltici

konvertörlerden gelen enerji, şebekeyle ortak çalışabilen DA/AA evirici yardımıyla

AA gerilime dönüştürülerek yük beslenmektedir. Lokal alıcıların ihtiyacından fazla

enerji üretiliyor ve aküler şarjlı durumda ise, enerjinin tamamı şebekeye

aktarılmaktadır. Belirlenen çalışma süresince tüm akım, gerilim, rüzgâr enerjisi,

güneş enerjisi ve sayaç bilgileri saat ve gün bazında, hem sayaçlar hem de veri

kaydetme sistemi yardımıyla kaydedilerek ve sonuçlar rapor edilmektedir.

95

a. Rüzgãr Türbini Akım Algılayıcısı

b. Boost Konvertör1 PWM

c. Güneş Panelleri Akım Algılayıcısı

d. Boost Konvertör2 PWM

e. Akü Grubu Akım Algılayıcısı

f. İnvertör Girişi Akım Algılayıcısı

g. İnvertör Sayacı kontrol

h. Anahtarlama Kontrolü

i. "

j. "

k. Şebeke Sayacı kontrol

Rüzgãr Türbini

DCACG

cd

ab

GüneşPanelleri

AküGrubu

KontrolÜnitesi

f

e

invertör/Şarj cihazı

a bc

def

Yükler

gk

g h i j k

kWhPQ

kWhPQ

İzolasyonTrafosu

Boost Konvertör1

Boost Konvertör2

h,i,j

Sigorta

PC iletişimi

Şekil 6.1. Tasarlanan hibrit enerji sisteminin blok şeması

96

6.2.Güneş Takip Sistemi Uygulaması

Bu çalışmada, güneş panellerinin elektrik enerjisi üretimi sırasında daha verimli

olabilmesi için üç ayrı güneş takip mekanizması tasarlanmıştır. Güneş takip

sistemlerinin her üçünde de 18F452 mikroişlemci ile kontrol edilebilmesi için

bilgisayar programı ve simülasyonu yapılmıştır. Güneş takip mekanizmasında güneş

panelleri ışığın en fazla olduğu yöne doğru dönüp gün boyunca ışığı takip

etmektedirler. Literatür taraması sırasında bu tip mekanizmaların sabit panelli

sistemlere göre % 30 ila %40 arası daha verimli olduğu belirlenmiştir [77]. Takip

sistemlerinin ilki 12 W gücünde bir güneş panelini iki eksenli olarak çalıştırmak ve

panelden elde edilen gerilim ve güneş açısı değerlerini bilgisayar ortamına kayıt

etmek amacıyla tasarlanmıştır. Uygulaması yapılan maketin görüntüsü Resim 6.1’de

verilmiştir.

Resim 6.1. Tasarlanan 12 W gücündeki takip sistemi

Maket ile bilgisayar arasındaki haberleşme RS232 iletişimi ile sağlanmıştır. Sistemde

güneş panelini hareket ettirebilmek için redüktörlü iki adet adım motoru

kullanılmıştır. Uygulaması yapılan sistemin bilgisayar ile haberleşme arayüz

97

programına dair görüntü Resim 6.2.(a)’da, kayıt edilen verilere ait program

görüntüsü ise Resim 6.2. (b)’de verilmiştir.

(a)

(b)

Resim 6.2. (a) İki eksenli güneş takip mekanizması arayüzü (b) Takip mekanizması

kayıt ekranı görüntüsü

Resim 6.2.’de görüldüğü gibi sistem panelin gerilim ve yatay-dikey açı değerleri

dakikalık olarak bilgisayar ortamına kayıt edilmektedir.

Tasarlanan ikinci güneş takip mekanizması 370W gücünde toplam iki paneli hareket

ettirecek şekilde tasarlanmıştır. İkinci uygulama da yine iki eksenli takip esasına

dayanmakta, aynı elektronik devreleri kullanmaktadır. İlk maket ile ikincisi

arasındaki fark ilkinin kayıt amaçlı kullanılması ikinci maketin ise daha büyük

gerilim ve güç değerlerine sahip olup konvertör, evirici ve haberleşme birimlerinin

98

çalıştırılmasına imkân sağlamasıdır. Tasarlanan iki eksenli takip mekanizmasına ait

görüntüler Resim 6.3.’te verilmiştir. Uygulanan sistem kendi ekseninde 360o, doğu

batı ekseninde de 170o hareket edebilmektedir.

Resim 6.3. 370W gücündeki iki eksenli takip mekanizması görüntüsü

Tasarlanan üçüncü güneş takip mekanizmasında ise 185W’lık 14 adet güneş paneli

kullanılmış ve toplam gücü 2600W’tır. Tasarlanan sistem büyük bir gövde yapısına

sahip olduğundan tek eksenli güneş takip mekanizması uygulanmıştır. Sistemin

öncelikle üç boyutlu simülasyonu ve mikroişlemci kontrollü devreleri tasarlanmıştır.

Sisteme ait 3D-MAX ile çizilmiş görüntüler Resim 6.4’te verilmiştir.

99

Resim 6.4 İki eksenli güneş takip mekanizması simülasyonu

Takip sisteminin için hazırlanan programda, güneş panellerinin çevresine

yerleştirilen iki adet sensörden alınan bilgiler değerlendirilmektedir. Bu bilgiler

doğrultusunda mikroişlemciye bağlı bir adet DA motor panelleri doğu-batı yönleri

doğrultusunda döndürmektedir. Sistem kuzey-güney doğrultusunda Ankara için en

uygun güneş açısı belirlenerek 32o açı ile sabit olarak yerleştirilmiştir. Devreye

panellerin hangi konumda olduklarını göstermek amacıyla 2X16 LCD display

bağlanmıştır. Yapılan sisteme ait blok diyagram Şekil 6.2’de verilmiştir.

100

Sensör1

Sensör2

MAX

485

Mik

ro d

enet

leyi

ci

MAX 232

SERİ PORT RS 232

PC

Kontrol sinyali

Motor Sürücü Devresi

Motor

Sin

yal D

enet

lem

e ve

İş

lem

e bi

rim

i

Şekil 6.2. Güneş takip mekanizması için tasarlanan sistemin blok diyagramı

Güneş takip mekanizmasının simülasyonu ve 2600 W gücündeki maketi

tamamlandıktan sonra, bu uygulamanın bilgisayarla haberleşebilmesi için gerekli

programlama ve elektronik devre çalışmaları yapılmıştır. Tasarlanan devredeki amaç

RS-485 ve seri port yardımıyla güneş panellerinin konum, akım ve gerilim

bilgilerinin bilgisayar ekranında görüntülenebilmesi ve ayrıca güneş takip

mekanizmasının kontrolüne bilgisayar üzerinden müdahale edilebilmesidir. Sistemin

bilgisayarla haberleşmesi için tasarlanan elektronik devreye ek olarak Visual Basic

programlama dilinde bir arayüz programı yapılmıştır. Sistemin bilgisayarla

haberleşmesi ve kontrolü için tasarlanan devrenin şeması Şekil 6.3’de verilmiştir.

101

Şekil 6.3. Sistemin kontrol ve seri port haberleşme devresi çizimleri

Takip sistemi ile ilgili kontrol devresinde panellerin konumu üç yöntemle kontrol

edilmektedir. Birinci yöntemde sistemin çalışması için bir zaman aralığı

belirlenmekte (sabah 06:15, akşam 19:45 arası), sistem bu saatler arasında aktif ve

ekranında “bekleme modu “yazmaktadır. Belirlenen saatler dışında ise sistem “gece

modu” durumundadır ve paneller hareketsizdir. Sabahleyin gece modundan bekleme

moduna geçileceği durumda sistem en doğuya kadar otomatik olarak döndürülmekte

ve oradan takip işlemine başlamaktadır. Sistem bekleme modunda çalışırken yine

butonlar aracılığı ile ayarlanan bir süre için beklemekte ve bekleme süresinin

sonunda güneşi sensörler aracılığı ile takip etmektedir. Bekleme süresi 1 ile 90

dakika aralığında ayarlanabilmektedir. Eğer güneş takip işlemi sırasında mekanik

sistem belirlenen bir süre içinde güneşi bulamaz ise ekranda “zaman aşımı” uyarısı

verilmekte ve sistem bir sonraki kontrol zamanını beklemektedir. Sistem üst üste üç

defa zaman aşımı uyarısı verirse, bilgisayar kontrollü sisteme bağlanmakta ve günün

belirtilen saatinde hangi konumda bulunması gerekli ise oraya yönlendirilmektedir.

102

İkinci kontrol yönteminde ise sistem bilgisayar aracılığı ile kontrol edilmektedir.

Bilgisayar kontrolünde sistem günün saatine bağlı olarak güneşin bulunması gereken

konuma otomatik olarak yönlendirilmektedir. Bu işlem için bilgisayara günlük güneş

açısı değerlerinin önceden girilmesi gerekmektedir.

Üçüncü kontrol yönteminde ise sistem el ile veya bilgisayardan butonlar aracılığı ile

kontrol edilmektedir. Bu uygulama sistemin arıza durumunda veya elle kontrolünün

gerektiği durumlarda uygulanmaktadır.

Güneş takip mekanizmasının (2600 W gücündeki) 14 adet güneş paneli ile yapılan

maketi üzerinde tasarlanan sistem ve programlar çalıştırılmaktadır. Uygulaması

yapılan maketin resmi Resim 6.5’de verilmiştir.

Resim 6.5. Uygulaması yapılan güneş takip mekanizmasının resmi

Güneş takip sistemi güneşi yatay eksende (doğu-batı) 130o açıyla takip

edebilmektedir. Panellerin hareketini sistemin üzerinde bulunan bir adet 24 Volt’luk

DA motor sağlamaktadır. Sistemin parçaları arasındaki iletişimi sağlayacak arabirim

kartının analog sinyalleri okuyup dijital sinyallere çeviren kısmı, ayrıca bu sinyalleri

bir mikro işlemci aracılığı ile LCD ekranda gösteren ayrıca okunan gerilim ve akım

103

değerlerine göre belirli röleleri çalıştırıp durdurabilen elektronik devreler

tasarlanarak uygulanmış ve mikroişlemci programları HI-TECH C programlama

dilinde yazılmıştır. Ayrıca sistemden okunan gerilim, akım sıcaklık diğer bilgilerin

bir program vasıtası ile bilgisayar ekranında görüntülenmesi işlemleri için bir arayüz

tasarlanmıştır. Tasarlanan program ile sistem tamamen bilgisayar kontrollü olarak

çalıştırılabilmekte ve izlenebilmektedir.

Güneş takip sistemlerindeki elektriksel ve mekanik uygulamalarda iki tür motor

kullanılmaktadır; bunlardan birincisi step motor (adım motoru), diğeri ise servo

motordur. Step motorla yapılan uygulama servo motorlu olana göre daha kolay ve

kontrolü basittir. Ancak step motorlar büyük güçlerde mevcut olmadıkları için belirli

bir büyüklüğe kadar yapılmaktadır. Büyük güçlü ve güneş paneli olarak sayısı fazla

olan uygulamalarda servo motorlar tercih edilmektedir.

6.3. Yükseltici (Boost) Konvertör Tasarımı

Uygulaması yapılan hibrit enerji sisteminde rüzgâr türbininden gelen elektrik enerjisi

ile güneş panellerinden gelen elektrik enerjisini aynı DA barada birleştirip sistemde

kullanılacak eviriciye gönderebilmek amacıyla iki adet birbirleriyle bağlantılı

çalışacak yükseltici konvertör tasarlanıp uygulaması tamamlanmıştır. Konvertörlerin

çalışması sırasında iki ayrı durum göz önünde bulundurularak sistem tasarımı ve

programlama yapılmaktadır.

Birinci durumda, iki konvertörün çıkışları aynı baraya bağlanacak ve bu bağlantı

sonucunda çıkış gerilim seviyesini sabit tutabilmek amacıyla her iki konvertörün

anahtarlama sinyalleri, birbirleri ile ilişkili ancak bağımsız olarak

değiştirilebilecektir. Bu uygulamanın MATLAB simülasyonundaki blok diyagramı

Şekil 6.4’de verilmiştir. Simülasyonda her iki konvertörün de çıkış gerilimlerinden

örnek alınarak PI denetleyicilere giriş yapılmış ve denetleyicide bu sinyaller bir

referans sinyali ile karşılaştırılarak çıkış gerilim seviyelerinin aynı değerde tutulması

sağlanmıştır.

104

Şekil 6.4. Yükselten konvertörün MATLAB simülasyonu

İkinci durumda ise; her iki konvertöre uygulanan gerilimlerin sonucunda konvertör

çıkışına her iki kaynaktan da maksimum güç transferi hedeflenmiştir. Burada amaç,

rüzgâr jeneratörü ile güneş panellerinin birlikte çalıştığı ;

• her iki kaynakta gerilim olması,

• rüzgâr jeneratöründe gerilim olup güneş panellerinde gerilim oluşmaması,

• güneş panellerinde gerilim varken rüzgâr jeneratörünün gerilim üretememesi,

durumlarında sistemden üretebilecek gücü maksimum değerde tutabilmektir.

Tasarlanan sistemde her iki konvertör birlikte çalıştırılarak MPPT yapılmaktadır.

Yükseltici konvertör uygulamasında sistemin girişinden ve çıkışından elde edilen

gerilim ve akım bilgileri mikro denetleyiciye gönderilmekte ve burada sistemin

çalışması için gerekli anahtarlama sinyali üretilmektedir. Konvertörün çalışması

sırasında elde edilen çıkış gücünün sistemin maksimum verimle çalışabilmesi için

105

sürekli olarak en yüksek seviyede olması gerekmektedir. Sistemin çıkış gücünün

sürekli olarak en yüksek seviyede tutulması işlemine “maksimum güç noktası takip

sistemi” (Maksimum Power Point Tracking) adı verilmektedir. Bu işlem sırasında

konvertörün girişinden okunan akım ve gerilim bilgileri mikro denetleyici tarafından

okunarak sistemin gücü hesaplanmakta, daha sonra giriş gerilim seviyesindeki artış

ya da azalmaya bağlı olarak konvertörün anahtarlama sinyalinin oranları

değiştirilerek çıkış akımı hep maksimum gücü elde edecek şekilde ayarlanmaktadır.

Maksimum güç takip sistemine ait akış diyagramı Şekil 6.5’te verilmiştir. Akış

diyagramında da görüldüğü gibi sistemde gücün değeri bir önceki değerine göre artış

gösteriyor ise giriş geriliminin de artıp artmadığı kontrol edilmekte. Eğer gerilim

değeri artıyorsa anahtarlama oranı azaltılmakta, gerilim azalıyorsa oran

artırılmaktadır. Güç değerinde bir önceki hesaplanan değere göre azalma var ise

tekrar gerilimin artışı kontrol edilmekte, eğer gerilim artıyor ise anahtarlama oranı bu

sefer arttırılmakta, gerilim azalıyor ise oran azaltılarak, sistemin gücü

ayarlanmaktadır. Eğer güç değerinde bir artma ya da azalma olmuyorsa, gerilimin

bir önceki değerine göre eşit olup olmadığı kontrol edilmektedir. Gerilim eşitse

sistem döngüden çıkmaktadır. Maksimum güç noktası takibi uygulamasında

konvertörün PWM anahtarlama oranları değiştirilirken kaynağın sağlayacağı

maksimum akım değerini geçmesi engellenmektedir. Bu nedenle PWM sinyalin

anahtarlama oranı %2 ile %49 arasında sınırlandırılmaktadır. Ayrıca yükseltici

konvertörün çıkışına bağlanacak olan eviricinin giriş gerilim ve güç değerlerini de

aşması istenmeyen bir durumdur. Bu koşullara bağlı kalarak sistem sürekli olarak

maksimum gücü elde etmek için konvertörün anahtarlama elemanına uygulanan

PWM sinyalin on-off olma sürelerini değiştirmektedir.

106

BAŞLA

TANIMLAMALARI YAP

GERİLİM OKU VPV(n-1)

VPV(n-1)>0

IPV(n) >IMAXEVET

HAYIR

HAYIR

GÜCÜ HESAPLAPPV(n-1) = VPV(n-1) x IPV(n-1)

EVET

MESAJ GERİLİM SIFIR

HAYIR

PWM=%2duty

AKIM OKU IPV(n-1)

duty = duty+1

DEĞER OKU VPV(n), IPV(n)

GÜCÜ HESAPLAPPV(n) = VPV(n) x IPV(n)

VOUT >VMAX

duty = duty-1

PPV(n-1) < PPV(n)

EVET

HAYIR

duty = duty+1

EVET

DUR

Şekil 6.5. Maksimum güç takip sisteminin akış diyagramı

107

Maksimum güç noktası takip işlemi ve güneş panellerinin güneşi takip etme işlemleri

bir arada uygulandığı takdirde sistemin veriminin daha fazla olacağı deneysel

çalışmalar ve toplanan veriler yardımıyla belirlenmiştir. Sistemin bu kısmının da

programları HI-TEC C dilinde yazılmış ve 18F452 mikroişlemci kullanılmıştır.

Ayrıca konvertörün elektronik devresinin elemanları da temin edilerek sistem bir

araya getirilmiştir. Uygulaması yapılan yükseltici konvertöre ait sistemin şeması

Şekil 6.6’da verilmektedir.

Rüzgãr Türbini

G

e. Boast Konvertör1 anahtarlama sinyali

b. Konvertör1 giriş gerilimi algılayıcısı

a. Konvertör1 giriş akımı algılayıcısı

c. Konvertör1 çıkış akımı algılayıcısı

d. Konvertör1 çıkış gerilimi algılayıcısı

e

a

b dcD1

D2D3

L1

C1

C2

R1

R2

C3

GüneşPanelleri

j

f

g ihD4

D5D6

L2

C4

C5

R3

R4

C6

ÇIKIŞ

j. Boast Konvertör2 anahtarlama sinyali

g. Konvertör2 giriş gerilimi algılayıcısı

f. Konvertör2 giriş akımı algılayıcısı

h. Konvertör2 çıkış akımı algılayıcısı

i. Konvertör2 çıkış gerilimi algılayıcısı

Konvertör 1

Konvertör 2

Şekil 6.6. Yükseltici konvertörlere ait uygulama şekli

Uygulaması yapılan yükseltici konvertörde anahtarlama elemanı olarak 73 amper

300 Volt IXFK 73N30 MOSFET kullanılmış ve MOSFET’in anahtarlamasını

sağlamak amacıyla TC4429 tipi MOSFET sürücüsü kullanılmıştır. Devrede,

MOSFET üzerinde anahtarlama sırasında oluşan yüksek değerli pikleri önlemek

amacıyla, MOSFET’in uçlarına bir snubber devresi yerleştirilmiştir. Uygulaması

yapılan konvertörün resmi Resim 6.6’da verilmiştir.

108

Resim 6.6. Uygulaması yapılan yükseltici konvertör

MOSFET’in gate ucuna uygulanan sinyalin boşta ve maksimum yük akımı altındaki

eğrileri Şekil 6.7’de verilmiştir. Yükteki artış anahtarlama sinyalini çok fazla

etkilememektedir. Ölçümler sırasında 10X osilaskop probu kullanılmıştır.

Şekil 6.7. Gate sinyalinin (a) boşta ve (b) maksimum akımdaki eğrileri

Konvertörün çalışması sırasında MOSFET sürücüye mikro denetleyici tarafından

gönderilen anahtarlama sinyalinin sistemden çekilen akım arttıkça bozulup,

konvertörün düzensiz çalışmasını engellemek amacıyla mikro denetleyici ile sürücü

devre arasına bir buffer devresi yaparak sinyal kuvvetlendirilmiştir. Konvertörün

(a) (b)

109

çalışması sırasında MOSFET’in anahtarlama oranı minimum ve maksimum iken

uçlarında oluşan gerilim eğrileri Şekil 6.8’de verilmiştir.

Şekil 6.8. MOSFET anahtarlama oranı (a) minimum ve (b) maksimum iken gerilim eğrileri

Yapılan deneyler sırasında konvertörün girişine 110 V DA gerilim uygulanmış ve

konvertör çıkışından 180 V elde edilmiştir. Konvertörün çıkışında 1500 Watt’lık yük

varken ve çıkış seviyesi 180 V iken gerilimin üzerinde oluşan AA RMS dalgalanma

değeri 0,5 Volt seviyesinde olup, bu değer çıkış geriliminin % 0,4’ü kadar bir

değeridir. Bu değer, DIN 41773 standardına göre kabul edilebilir bir değerdir. Bu

standart’a göre akü şarj cihazı ve bunun gibi DA gerilim kaynaklarının çıkış

gerilimlerindeki dalgalanma seviyesi ± %1’i geçmemelidir. Elde edilen çıkış değeri

ile konvertörden kaliteli bir çıkış sinyali sağlanmıştır. Konvertör çıkış geriliminin ve

oluşan rıpıl değerinin eğrileri Şekil 6.9’da verilmiştir.

(a) (b)

110

Şekil 6.9. (a) Konvertör çıkış gerilimi (b) AA rıpıl değerinin gerilim eğrileri

Konvertörün giriş geriliminden bir gerilim bölücü vasıtasıyla alınan gerilim değeri ve

giriş akımından bir akım algılayıcı üzerinden okunan akım değerleri, yükselteç

devresinden geçirilerek mikro denetleyicinin giriş uçlarına yönlendirilmektedir.

Mikro denetleyiciye uygulanan giriş sinyalleri ile konvertörün akım ve gerilim

bilgileri değerlendirilerek, MOSFET’in anahtarlama oranları değiştirilmektedir.

6.4.Güneş ve Rüzgâr Sistemlerinin Montajı

Tasarlanan sistemde güneşten ve rüzgârdan elde edilen enerjileri, elektrik enerjisine

dönüştürmek amacıyla on dört (14) adet güneş panelinden oluşan 2600W gücünde

bir güneş takip mekanizması ve 2600W gücünde bir rüzgâr türbini temin edilmiştir.

Bu ekipmanların belirlenen yerlere montajı için öncelikle türbin için alınan direği

üretici firmasından verilen bilgiler doğrultusunda 5mX5mX5m ölçülerinde bir temel

çukuru açılarak içerisine iskelesi oluşturulmuş ve 26 m uzunluğundaki ve 4,5 ton

ağırlığındaki direği yere sabitlemek amacıyla oluşturulan beton kaide hazırlanmıştır.

Rüzgâr türbini’nin beton kaidesine ait resimler Resim 6.7’de verilmiştir.

(a) (b)

111

Resim 6.7. Rüzgâr türbini için hazırlanan beton kaide ve temeli

Temeli tamamlanan rüzgâr türbini ve direği yerlerine bir vinç yardımıyla monte

edilmiştir. Sistemin yerine monte edilmesine dair resimler Resim 6.8’de verilmiştir.

Burada türbinin ürettiği enerji için 3x10 mm2 kesitindeki iletken ayrıca türbinin

yüksek hızlarda ve bakım sırasında frenlenmesini sağlayan halat direğin içinden

geçirilerek aşağıya indirilmiştir.

Resim 6.8. Rüzgâr türbini ve direğinin montajı

Rüzgâr türbininin yerleştirildiği alanın yakınına bir güneş takip mekanizması

yerleştirilmiştir. Mekanizma güneşi mevsimlere göre en iyi görebileceği ortalama açı

değeri hesaplanarak kuzey-güney doğrultusunda 32o açı ile ve doğu-batı ekseninde

112

güneşi otomatik olarak takip edecek şekilde yerleştirilmiştir. Resim 6.9’da güneş

takip mekanizmasının temel işlemleri ve yerleştirilmesine dair resimler verilmiştir.

Resim 6.9. Güneş takip mekanizmasının yerine yerleştirilmesi

Güneş ve rüzgâr ile ilgili sistemler yerlerine montaj edildikten sonraki aşamada

enerji iletim kabloları Elektrik bölümü B blok Mikroişlemci laboratuarındaki odaya

kadar çekilerek, sistemin diğer parçaları olan eviriciler, konvertörler ve akü şarj

cihazı buraya yerleştirilmiştir. Sistemin elektronik donanımlarının yerleştirilmiş

halleri Resim 6.10’da verilmiştir.

Resim 6.10. İnvertör ve kontrol ünitelerinin yerleşimi

113

Güneş ve rüzgârdan elde edilen enerjilerin kontrolü ile ilgili sistemde; ilk olarak

güneşten elde edilen DA enerji, rüzgârdan elde edilen 3 fazlı değişken frekanslı AA

enerji ve şebekenin enerjisi bir merkezde toplanmakta ve kumanda işlemleri bu

panoda yapılmaktadır. Resim 6.11’de kumanda ve kontrol panosu görülmektedir.

Resim 6.11. Kumanda panosunun ve iç bağlantısının görüntüsü

Bu panonun ön kısmına her bir enerji kaynağından elde edilen gerilimleri ve akımları

görmek amacıyla birer voltmetre ve ampermetre yerleştirilmiştir. Ayrıca rüzgâr

türbininden ve şebekeden gelen üç fazı ayrı ayrı görebilmek amacıyla birer voltmetre

komütatörü yerleştirilmiştir. Kumanda panosunun içinde ise eviricileri ve şarj

ünitesini devreye alıp çıkartma amacıyla kullanılan kontaktörler ve yüke iletilecek

olan enerji miktarını ölçme amaçlı olarak bir sayaç bulunmaktadır.

Rüzgârdan elde edilen 3 fazlı değişken frekanslı AA enerji kumanda panosunun

çıkışında bir doğrultucu yardımıyla DA gerilime çevrilmekte ve oradan konvertöre

iletilmektedir. Güneşten elde edilen DA gerilimde direkt olarak konvertöre

iletilmektedir. Burada kullanılan konvertörlerin amacı daha önceki bölümde de

114

belirtildiği gibi güneş ve rüzgâr enerjilerinden elde edilen gerilimleri eviricilerin giriş

gerilim aralığında tutabilmektir.

Bağlantı kutusunda konvertörlere veya istenirse direkt olarak eviricilere

yönlendirilen enerji güneş ve rüzgâr sistemleri için ayrı birer eviriciye giriş

yapılmaktadır. Güneş enerjisi sistemi için 3300W’lık SMA Sunny Boy 3300 modeli

ve rüzgâr enerjisi içinde 2500W’lık SMA Wind Boy 2500 modeli eviriciler

kullanılmaktadır. Resim 6.12. ve Resim 6.13’de güneş ve rüzgâr için belirtilen

eviriciler görülmektedir.

Resim 6.12. Sunny Boy 3300 evirici ön ve iç görüntüsü

Resim 6.13. Windy Boy 2500 evirici ön ve iç görüntüsü

İnvertörlerin çıkışlarından elde edilen gerilim istenirse direkt olarak yüke aktarılacak

istenirse akü şarj cihazına yönlendirilecek şekilde bağlantısı yapılmıştır.

İnvertörlerden elde edilen 220 V 50 Hz. gerilim, SMA Sunny Island 4500 modeli bir

115

şarj kontrolöre yönlendirilmektedir. Şarj ünitesinin resmi Resim 6.14’te verilmiştir.

Şarj ünitesinin çıkışı ise yüke yönlendirilmektedir. Ayrıca 10 adet 12 V 100 Ah’lik

akü, akü şarj ünitesine bağlanmıştır.

Resim 6.14. Akü şarj ünitesi görüntüsü

Sistem parçaları bir araya getirildikten sonra eviricilerin ve şarj cihazının arasındaki

haberleşmeyi kontrol etmek ve elde edilen akım gerilim ve güç değerlerini bilgisayar

ortamına aktarmak amacıyla kullanılan bir ünite mevcuttur. Bu cihaz, eviriciler ve

şarj cihazını 1200 m mesafede algılayabilen RS485 bağlantısına sahip “Control Plus”

adı verilen haberleşme ünitesidir. Haberleşme ünitesinin görüntüsü Resim 6.15’te

verilmiştir.

116

Resim 6.15. RS485 Haberleşme ünitesi

6.5.Haberleşme Arayüz Programının Tasarımı

Hibrit enerji sisteminde kullanılan diğer bir kontrol ünitesi ise, güneş takip

mekanizmasının konum bilgisini, panellerden elde edilen gerilim ve çekilen akımı,

RS485 yardımıyla bilgisayara kaydedebilen, ayrıca takip sisteminin doğu-batı

doğrultusunda farklı stratejiler uygulanarak döndürülmesini sağlayan arabirimdir. Bu

arabirimde güneş takip sistemi istenirse güneşi takip eden sensörler yardımıyla veya

bilgisayar kontrollü olarak kumanda edilebilmektedir. Acil durumlarda sistemin el ile

kumandası da mümkün olmaktadır. Tasarlanan kontrol ünitesi ve haberleşme

biriminin görüntüsü Resim 6.16’da verilmiştir.

117

Resim 6.16. Güneş takip sistemi kontrol ve haberleşme üniteleri

Tasarlanıp uygulanan kontrol ve haberleşme devrelerinin bilgisayarla kontrolü ve

bilgilerin elektronik ortama kayıt edilmesi amacıyla VISUAL C# programlama

dilinde bir arayüz tasarlanmıştır. Tasarlanan arayüzde, güneş panelleri kontrol

edilebilmekte ayrıca rüzgâr türbininden ve güneş panellerinden gelen akım ve

gerilim bilgileri kaydedilmektedir. Tasarlanan arayüzün görüntüleri Resim 6.17’de

verilmiştir.

Resim 6.17. Kontrol arayüz görüntüsü

Kontrol birimlerinden elde edilen rüzgâr türbinine ait akım, gerilim ve hız bilgileri

ayrıca güneş panellerine ait akım, gerilim ve konum bilgileri bilgisayar ortamına

kaydedilmektedir. Kaydedilen dosyalar günlük olarak aynı program aracılığı ile

grafik olarak görüntülenmektedir. Rüzgâr türbini ile ilgili olarak 03.03.2007

118

tarihinde türbin geriliminin doğrultucu çıkışına bağlanan 800 W yük altındaki

değişim eğrisi Resim 6.18’de verilmiştir.

Resim 6.18. Rüzgâr türbininden elde edilen enerjinin grafik olarak görüntüsü

Ayrıca sisteme bilgisayar üzerinden bağlanacak olan bir web kamerası aracılığı ile

güneş panelinin görüntüsü bilgisayar ortamında görülebilmektedir. Görüntüyü

alabilmek amacıyla arayüz üzerindeki “Kamera Aktif” butonuna basıldığında

panellerin konumu görüntülenebilmektedir. Yapılan elektronik devreler yardımıyla

ve evirici ünitelerinin kontrol birimi aracılığıyla bu sistem kontrol-kayıt işlemini

yapabilmektedir.

119

7. DENEYSEL ÇALIŞMA SONUÇLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ

Çalışmada gerçekleştirilen hibrit sistemde, güneş enerjisi sistemi için DA ve AA

olmak üzere akım, gerilim, güç ve güneş paneli pozisyonu ölçülmüştür. Rüzgâr

enerjisi sistemi için ise DA ve AA olmak üzere akım, gerilim ve güç değerleri

ölçülmüştür. Her iki sistemde saatlik, günlük ve aylık olarak değerler bilgisayar

ortamına kaydedilmiştir. Bu bölümde ölçülen değerler ile ilgili olarak çizdirilen

eğriler verilmiş ve sistemin çalışmasının değerlendirmesi yapılmıştır.

Hibrit sistemin çalışması sırasında uygulaması yapılan kayıt cihazları yardımıyla her

15 dakikada bir olmak üzere günlük veriler toplanmıştır. Bu veriler güneş panelleri

için güneş doğduğu andan batıncaya kadar olan sürede, rüzgâr türbini için ise türbin

elektrik üretmeye başladığı andan itibaren kayıt yapacak şekilde tasarlanmıştır. Elde

edilen veriler günlük Excel dosyaları olarak bilgisayar ortamına kayıt edilmektedir.

Sistemin faaliyete geçtiği 02.03.2007 tarihinden 15.06.2007 tarihine kadar yapılan

kayıtlar arasından seçilen birkaç günlük değerler sırasıyla aşağıda değerlendirilmiştir.

Şekil 7.1 ile Şekil 7.5 arasında 17/03/2007 günü elde edilen veriler yardımıyla

çizdirilen eğriler görülmektedir. Şekil 7.1’de güneş panelleri için günlük güç

değerleri eğrisi görülmektedir. Paneller sabah saat 06.00 ile akşam saat 18.00

arasında enerji üretmekte olup, en yüksek güç değeri 2150 W olarak ölçülmüştür.

Güneş panelleri için uygulanan güneş takip sistemi bu ölçümler sırasında devrede

olduğu için, şekilde de görüldüğü gibi saat 08.00 ile saat 16.00 arasında sekiz saat

süresince panellerin gücü maksimum seviyededir. Güneş takip sisteminin

çalıştırılmadığı günlerde ise güç eğrisi bu şekilde oluşmamaktadır.

120

6 8 10 12 14 16 180

500

1000

1500

2000

2500Güç-Zaman Eğrisi

Zaman (saat)

Güç

(W

)

Şekil 7.1. 17/03/2007 gününde ölçülen güneş paneli güç değerleri

Şekil 7.2’de ise güneş panellerinden elde edilen DA gerilim ile şebeke çıkışının

birlikte olduğu eğri görülmektedir. Eğride güneş panellerinden elde edilen DA

gerilim gün içerisinde 220 V ile 340 V arasında değişim göstermektedir. Panellerdeki

gerilim seviyesindeki bu değişiklik konvertör aracılığı ile sürekli aynı seviyede

tutulmakta olup, DA/AA evirici girişine sürekli maksimum seviyede DA gerilim

uygulanmaktadır.

6 8 10 12 14 16 18220

240

260

280

300

320

340Gerilim - Zaman Eğrisi

Zaman (saat)

Ger

ilim

(V

)

VAC

VPV

Şekil 7.2. 17/03/2007 gününde ölçülen güneş paneli DA gerilim ve invertör çıkışı

AA gerilim değerleri

121

Şekil 7.3’te ise aynı gün için panellerden çekilen DA akım ile evirici çıkışındaki AA

akımın karşılaştırılması verilmiştir. Panellerden çekilen akım değeri gün içerisinde 8

A değerine kadar ulaşmaktadır.

6 8 10 12 14 16 180

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10Akim - Zaman Eğrisi

Zaman (saat)

Aki

m (

A)

IAC

IPV

Şekil 7.3. 17/03/2007 gününde ölçülen panel akımı ve evirici çıkış akımı değerleri

4 6 8 10 12 14 16 18 200

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

Güç - Zaman Eğrisi

Zaman (saat)

Güç

(W

)

P1

P2

Takip sitemi devre dışı

Şekil 7.4. Güneş takip sisteminin devrede olduğu ve sistemden çıkarıldığı durumlardaki güç eğrileri

Güneş panellerinden elde edilen gücün günün her saatinde maksimum seviyede

tutulması için 2600 W gücündeki sisteme güneş takip mekanizması uygulanmıştır.

Şekil 7.4’te gün boyunca güneş takip sisteminin devrede olduğu ve devreden

çıkarılarak belirli aralıklarla yapılan ölçümler sonucunda elde edilen güç değerlerine

122

ait eğriler verilmiştir. Şekilden de görüldüğü gibi takip sistemi devrede iken

panellerin ürettiği güç daha yüksektir. Bir günlük ölçümler kıyaslandığında,

panellerin güneşi takip ettiği durumdaki üretilen toplam enerji 17,248 kWh, paneller

sabit iken üretilen toplam enerjinin 11,862 kWh olduğu görülmüştür. Bu ölçümler,

güneş takip sisteminin panellerin ürettiği gücü %45 oranında arttırdığını

göstermektedir.

Şekil 7.5’de aynı gün için rüzgar türbininden elde edilen akım değerleri

görülmektedir. Rüzgar türbini ile birlikte çalışan eviricinin şebekeye bağlanma

işleminin sürekli olarak 280 V ve üzerinde sabit gerilim değerleri gerektirmesinden

dolayı Şekil 7.5’de görüldüğü gibi gün içerisinde iki defa şebekeye bağlantı

gerçekleştirilebilmiştir.

0 5 10 15 200

50

100

150

200

250

300

350

400

Zaman (saat)

Akı

m (

mA

)

Rüzgar Türbini Akım -Zaman Eğrisi

IACIPV

Şekil 7.5. 17/03/2007 günü için rüzgar türbini akım değerleri

Şekil 7.6’da ise rüzgar türbininin DA gerilim değişimi ve AA invertör çıkışı değerleri

görülmektedir. Rüzgâr türbininden elde edilen gerilim değeri gün içerisinde çok fazla

değişkenlik göstermektedir. Türbin çıkışında doğrultulan değişken DA gerilim

konvertör aracılığı ile sabit bir seviyede tutularak invertör girişine uygulanmaktadır.

123

0 5 10 15 20100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300Rüzgar Türbini Gerilim - Zaman Eğrisi

Zaman (saat)

Ger

ilim

(V

)

VACVPV

Şekil 7.6. 17/03/2007 günü için rüzgar türbini gerilim ve şebeke gerilim eğrisi

Şekil 7.7’de ise güneş panellerinden elde edilen değerler arasından seçilmiş olan beş

günlük panel gerilimi-şebeke gerilimi ve panel akımı-invertör çıkış akımı arasındaki

değişimi gösteren değerler verilmiştir. Belirtilen tarihler arasında güneş takip işlemi

yapılmamış olup sadece sistemin MPPT yapması deneyi gerçekleştirilmiştir. Güneş

takip sistemi devrede iken günlük enerji üretim değeri 17 kWh iken, güneş takip

sisteminin devrede olmadığı günlerde enerji değerinin 14 kWh’i geçmediği

görülmüştür. Güneş takip sisteminin çalıştığı duruma göre enerji üretim veriminin

düştüğü belirlenmiştir. Eğrilerden de görüleceği gibi güneş panelleri havanın bulutlu

olması veya güneşin konumuna göre pozisyon değiştiremedikleri için değerler belirli

noktalarda düşüş göstermiştir.

124

5 10 15 20220

240

260

280

300

320

340VACVPV

09/05/2007 Gerilim-Zaman Eğrisi

Zaman (saat)

Ger

ilim

(V

)

5 10 15 200

1

2

3

4

5

6

7

8IACIPV

Zaman (saat)

Akı

m (

A)

09/05/2007 Akım-Zaman Eğrisi

09/05/2007 Gerilim-Zaman 09/05/2007 Akım-Zaman

5 10 15 20220

240

260

280

300

320


Zaman (saat)

Ger

ilim

(V

)

VACVPV

5 10 15 200

1

2

3

4

5

6

7

8

Zaman (saat)

Akı

m (

A)

10/05/2007 Akım-Zaman Eğrisi

IACIPV


5 10 15 20180

200

220

240

260

280

300

320

340


Ger

ilim

(V

)

Zaman (saat)

VACVPV

5 10 15 200

1

2

3

4

5

6

7

8

9IACIPV

11/05/2007 Akım-Zaman EğrisiA

kım

(A

)

Zaman (saat)


4 6 8 10 12 14 16 18 20180

200

220

240

260

280

300

320

340VAC

VPV

Gerilim - Zaman Eğrisi

Zaman (saat)

Ger

ilim

(V

)

4 6 8 10 12 14 16 18 200

1

2

3

4

5

6

7

8

Zaman (saat)

Aki

m (

A)

Akim - Zaman Eğrisi

IAC

IPV


4 6 8 10 12 14 16 18 20200

220

240

260

280

300

320

340VAC

VPV

Gerilim - Zaman Eğrisi

Zaman (saat)

Ger

ilim

(V)

4 6 8 10 12 14 16 18 200

1

2

3

4

5

6

7

8

Zaman (saat)

Aki

m (

A)

IAC

IPV

Akim - Zaman Eğrisi


Şekil 7.7. Beş günlük süre için güneş paneli gerilim ve akım değerleri

125

Şekil 7.8. ile Şekil 7.9’da ise Fluke 43B power qaulity analyser ile güneş paneli ve

rüzgar türbini sistemlerinin evirici çıkışlarında ölçülen akım, gerilim ve harmonik

sinyalleri gösterilmektedir.

Şekil 7.8 (a)’da rüzgar türbinin devrede iken evirici çıkışının akım-gerilim çıkışları,

(b)’de güç eğrileri (c)’de ise gerilim harmoniği değeri görülmektedir. Evirici bağlı

iken bağlantı noktasındaki gerilim THD’si % 2,7 dir. Türkiye’de şebeke üzerinde %

2-3 civarında gerilim harmoniği bulunmaktadır. Görüldüğü gibi şebekeye bağlanan

sistem, şebeke gerilimi üzerinde olumsuz bir etkiye neden olmamaktadır.

(a) (b) (c)

Şekil 7.8. Rüzgar türbini gerilim, akım, güç ve harmonik değerleri

Şekil 7.9 (a)’da güneş paneli ve rüzgar türbinin devrede iken evirici çıkışının akım-

gerilim çıkışları, (b)’de güç eğrileri (c)’de ise akım harmoniği değeri görülmektedir.

(a) (b) (c)

Şekil 7.9. Güneş paneli ve rüzgar türbini birlikte çalışırken gerilim, akım, güç ve harmonik değerleri

126

Şekil 7.9 (c)’de görüldüğü gibi şebeke harmoniği değeri % 3,5 seviyesindedir. Bu

değer için uluslararası standartlarda %5’e kadar izin verilmektedir. Şekilden de

görüleceği gibi sistemin akım harmonikleri standartlarda belirtilen limitlerin altında

çalışmaktadır. Rüzgâr türbini devrede iken rüzgâr hızındaki değişime bağlı olarak hız

azaldıkça gerilim seviyesi ve dolayısıyla çıkış gücü düşmekte ve harmonik oranı

artmaktadır. Şekil 7.10’da rüzgâr türbininin değişken hızlarda iken akım harmoniği

değerleri verilmiştir. İnvertördeki giriş gerilimi ve giriş gücü değerleri Şekil 7.10

(a)’da 376 V güç 920 W, (b)’de 329 V güç 500 W, (c)’de ise 280 V güç 92 W olarak

ölçülmüştür.

(a) (b) (c)

Şekil 7.10. Rüzgâr türbini için değişik rüzgâr hızlarında akım harmonik değerleri

Ölçümlerden de görüldüğü gibi türbin gerilimi 280V iken evirici çıkış akımındaki

toplam harmonik bozulumu %27,7 olmaktadır. Türbinin ürettiği gerilim seviyesinin

belirli bir değerin altına düşmesi durumunda evirici otomatik olarak şebekeden

ayrılmakta ve sisteme zararlı bir etki olmasını engellenmektedir.

127

8. SONUÇ VE ÖNERİLER

Kullanım kolaylığı ve temizliği nedeniyle diğer enerji kaynaklarına göre elektrik

enerjisinin enerji tüketimi içerisindeki payı her geçen yıl artmaktadır. Planlama

yapılırken enerjinin ucuzluğu, talebi karşılaması, üretimin güvenilir olması, sürekli,

kaliteli ve çevre dostu olması gerekmektedir. Enerji ihtiyacının temininde genellikle

kömür, petrol, doğalgaz gibi yakıtlar kullanılmaktadır. Ancak bu yakıtların yakın bir

gelecekte tükenecek olması mutlak bir gerçektir. Sanayileşmenin belli yörelerde

yoğunlaşması sonucunda da fosil yakıtların kullanımından kaynaklanan çevre

kirliliği artmaktadır. Kirliliği önleme amaçlı yenilenebilir enerji kaynaklarından olan

güneş ve rüzgâr enerjilerinden enerji üretiminin değişik sektörlerde uygulanabilmesi

için araştırmalar sürdürülmektedir. Bu tez çalışmasında literatürdeki alternatif enerji

kaynaklarından elektrik enerjisi üretim çalışmalarına yeni bir örnek uygulama

gerçekleştirilerek mevcut çalışmalara katkı sağlanması amaçlanmıştır.

Bu tez çalışmasında hibrit alternatif enerji kaynaklarının değişik sektörlerde

yaygınlaştırabilmek için rüzgâr ve güneş enerjilerinin birlikte kullanıldığı hibrit

enerji santrali tasarlanmış ve şebekeyle paralel çalışabilen bir uygulama

gerçekleştirilmiştir. Bu sistemde rüzgâr türbini ve güneş panellerinden elde edilen

elektrik enerjisi aynı DA barada birleştirilmiş ve evirici yardımıyla yüke

yönlendirilmesi amacıyla kullanılmak üzere iki adet yükselten konvertör tasarlanmış

ve uygulamaları tamamlanmıştır. Konvertör çıkış gerilimiyle yedekleme amacıyla

akü grubu şarj edilmektedir. Akü grubu şarj edildikten sonra ihtiyaç fazlası elektrik

enerjisi şebeke ile paralel çalışabilen bir evirici yardımıyla şebekeye verilmektedir.

Böylece, tasarlanan sistem kesintisiz güç kaynağı görevini de üstlenmektedir. Önemli

bir diğer faydası ise, elektrik enerjisinin ihtiyaçtan fazla olması halinde kullanıcının

belirli bir dönem satıcı konumunda olabilmesi ve ödenecek fatura bedelini azaltarak

ekonomik katkı sağlanabilmesidir.

Gerçekleştirilen tasarımın daha kaliteli ve verimli olabilmesi için 12 W, 370 W ve

2600 W olmak üzere üç ayrı güçte güneş takip mekanizması tasarlanmıştır. Güneş

takip sistemlerinin her üçünde de 18F452 mikroişlemci ile kontrol edilebilmesi için

128

bilgisayar programı ve simülasyonu yapılmıştır. Güneş takip mekanizmasında güneş

panelleri ışığın en fazla olduğu yöne doğru dönüp gün boyunca ışığı takip

etmektedirler. Uygulama çalışmaları sonucunda güneş takip mekanizmaları ile elde

edilen enerjinin, sabit panelli sistemlere göre % 45 daha verimli olduğu tespit

edilmiştir.

İlk tasarlanan güneş takip mekanizması, 12 W gücünde bir güneş panelini iki eksenli

olarak çalıştırmak ve panelden elde edilen gerilim ve güneş açısı değerlerini

bilgisayar ortamına kayıt etmek amacıyla tasarlanmıştır. panel ile bilgisayar

arasındaki haberleşme RS232 iletişimi ile sağlanmıştır. Sistemde güneş panelini

hareket ettirebilmek için redüktörlü iki adet 10 W adım motoru kullanılmıştır. Sistem

panelin gerilim ve yatay-dikey açı değerleri dakikalık olarak bilgisayar ortamına

kayıt edilmektedir.

İkinci güneş takip mekanizması, 370W gücünde toplam iki paneli hareket ettirecek

şekilde tasarlanmıştır. İkinci uygulama da yine iki eksenli takip esasına dayanmakta,

aynı elektronik devreleri kullanmaktadır. İlk maket ile ikincisi arasındaki fark ilkinin

kayıt amaçlı kullanılması ikinci maketin ise daha büyük gerilim ve güç değerlerine

sahip olup konvertör, evirici ve haberleşme birimlerinin çalıştırılmasına imkân

sağlamasıdır. Uygulanan sistem kendi ekseninde 360o, doğu batı ekseninde de 170o

hareket edebilmektedir.

Üçüncü güneş takip mekanizmasında ise 185W’lık 14 adet güneş paneli kullanılmış

ve toplam gücü 2600W olarak tasarlanmıştır. Tasarlanan sistem büyük bir gövde

yapısına sahip olduğundan tek eksenli güneş takip mekanizması uygulanmıştır.

Sistemin öncelikle üç boyutlu simülasyonu ve mikroişlemci kontrollü devreleri

tasarlanmıştır. Takip sistemi için hazırlanan programda, güneş panellerinin çevresine

yerleştirilen iki adet sensörden alınan bilgiler değerlendirilmektedir. Mikroişlemci ile

kontrol edilen bir adet DA motor, bu bilgiler doğrultusunda panelleri doğu-batı

yönleri doğrultusunda döndürmektedir. Sistem kuzey-güney doğrultusunda Ankara

için en uygun güneş açısı belirlenerek 32o açı ile sabit olarak yerleştirilmiştir.

Devreye panellerin hangi konumda olduklarını göstermek amacıyla LCD ekran

129

bağlanmıştır. Güneş takip mekanizmasının simülasyonu ve 2600 W gücündeki

maketi tamamlandıktan sonra, bu uygulamanın bilgisayarla haberleşebilmesi için

gerekli programlama ve elektronik devre çalışmaları yapılmıştır. Tasarlanan

devredeki amaç RS-485 ve seri port yardımıyla güneş panellerinin konum, akım ve

gerilim bilgilerinin bilgisayar ekranında görüntülenebilmesi ve ayrıca güneş takip

mekanizmasının kontrolüne bilgisayar üzerinden müdahale edilebilmesidir. Sistemin

bilgisayarla haberleşmesi için tasarlanan elektronik devreye ek olarak VISUAL

BASIC programlama dilinde bir arayüz programı yapılmıştır. Güneş takip sistemi

güneşi yatay eksende (doğu-batı) 130o açıyla takip edebilmektedir. Panellerin

hareketini sistemin üzerinde bulunan bir adet 24 Volt’luk DA motor sağlamaktadır.

Sistemin kısımları arasındaki iletişimi sağlayacak arabirim kartının analog sinyalleri

okuyup dijital sinyallere çeviren kısmı ve bu sinyalleri bir mikro işlemci aracılığı ile

LCD ekranda gösteren ayrıca okunan gerilim ve akım değerlerine göre belirli röleleri

çalıştırıp durdurabilen elektronik devrelerin mikroişlemci programları HI-TECH C

programlama dilinde yazılmıştır.

Hibrit sistemde güneş takip mekanizmasının yerleştirildiği alanın yakınına 2500W

gücünde bir rüzgâr türbini yerleştirilmiştir. Rüzgâr türbününün belirlenen yere

montajı için öncelikle türbin için alınan direği üretici firmasından verilen bilgiler

doğrultusunda 5m x 5m x 5m ölçülerinde bir temel çukuru açılarak içerisine iskelesi

oluşturulmuş ve 26 m uzunluğundaki direği yere sabitlemek amacıyla oluşturulan

beton kaide hazırlanmıştır. Temeli tamamlanan rüzgâr türbini ve direği yerlerine bir

vinç yardımıyla monte edilmiştir. Burada türbinin ürettiği enerji için 3x10 mm2

kesitindeki iletken ayrıca türbinin yüksek hızlarda ve bakım sırasında frenlenmesini

sağlayan halat direğin içinden geçirilerek aşağıya indirilmiştir.

Güneş ve rüzgâr ile ilgili sistemler yerlerine montaj edildikten sonraki aşamada

enerji iletim kabloları Elektrik Eğitimi Bölümü B blok Mikroişlemci laboratuarındaki

kontrol odasına kadar çekilerek, sistemin diğer parçaları olan eviriciler, konvertörler

ve akü şarj cihazı buraya yerleştirilmiştir. Güneş ve rüzgârdan elde edilen enerjilerin

kontrolü ile ilgili sistemde; ilk olarak güneşten elde edilen DA enerji, rüzgârdan elde

edilen üç fazlı değişken frekanslı AA enerji ve şebekenin enerjisi bir merkezde

130

toplanmakta ve kumanda işlemleri bu panoda yapılmaktadır. Bu panonun ön kısmına

her bir enerji kaynağından elde edilen gerilimleri ve akımları görmek amacıyla birer

voltmetre ve ampermetre yerleştirilmiştir. Ayrıca rüzgâr türbininden ve şebekeden

gelen üç fazı ayrı ayrı görebilmek amacıyla birer voltmetre komütatörü

yerleştirilmiştir. Kumanda panosunun içinde ise eviricileri ve şarj ünitesini devreye

alıp çıkartma amacıyla kullanılan kontaktörler ve yüke iletilecek olan enerji miktarını

ölçmek üzere bir sayaç bulunmaktadır.

Uygulaması yapılan sistemde, rüzgâr türbininden ve güneş panellerinden elde edilen

elektrik enerjilerinin birleştirildiği konvertörler birbirleri ile paralel çalışabilecek

şekilde ve elde edilen çıkış gücünü devamlı olarak maksimum seviyede tutmak

amacıyla MPPT yapacak şekilde tasarlanmışlardır. Her iki konvertörde bir mikro

denetleyici üzerinden kontrol edilmekte ve sistemin akım ve gerilim bilgileri burada

değerlendirilmektedir. Hibrit sistemde güneş panellerinden en yüksek verimi

alabilmek için paneller güneşi takip edecek şekilde tasarlanmıştır. Güneş takip

sistemi olarak tek eksenli ve iki eksenli mekanik takip sistemleri hazırlanmış, bu

mekanik sistemlerin elektronik kontrolü ise hem dinamik takip hem de

kararlaştırılmış takip sistemleri kullanılarak yapılmıştır. Güneş panellerinde ve

rüzgâr türbininde üretilen enerjileri veri olarak toplayabilmek ve bilgisayar üzerinden

sistemlere müdahale edebilmek amacıyla her iki sistem için birer kontrol devresi ve

bu devreleri bilgisayarla RS485 ve RS232 hatları üzerinden haberleşebilecek

devreler tasarlanmıştır. Sistem bileşenlerinin bilgisayar üzerinden kontrolü için ise

VISUAL C# dilinde arayüzler tasarlanarak sistem 24 saat boyunca takip, kontrol ve

kayıt aşamalarında çalıştırılmaktadır. Ayrıca sistemin diğer kısımları olan evirici,

konvertör, akü şarj ünitesi, iletişim modülleri ve diğer elektronik devreler bir araya

getirilmiştir. Güneş ve rüzgâr ile ilgili olarak üç aylık bir süre için veri toplama

işlemi yapılmış ve bu işlem halen devam etmektedir.

Hibrit enerji sisteminde kullanılan ikinci kontrol ünitesi ise güneş takip

mekanizmasının konum bilgisini, panellerden elde edilen gerilim ve çekilen akımı,

RS485 yardımıyla bilgisayara kaydedebilen ayrıca takip sisteminin doğu-batı

doğrultusunda farklı stratejiler uygulanarak döndürülmesini sağlayan arabirimdir. Bu

131

arabirimde güneş takip sistemi istenirse güneşi takip eden sensörler yardımıyla veya

bilgisayar kontrollü olarak kumanda edilebilmektedir. Acil durumlarda sistemin el ile

kumandası da mümkün olmaktadır.

Kontrol birimlerinden elde edilen rüzgâr türbinine ait akım, gerilim ve hız bilgileri

ayrıca güneş panellerine ait akım, gerilim ve konum bilgileri bilgisayar ortamına

kaydedilmektedir. Kaydedilen dosyalar günlük olarak aynı program aracılığı ile

grafik olarak görüntülenmektedir. İstenildiğinde bu günlük bilgiler haftalık, aylık ve

yıllık olarak kullanılabilmektedir.

Ayrıca sisteme bilgisayar üzerinden bağlanacak olan bir web kamerası aracılığı ile

güneş panelinin görüntüsü bilgisayar ortamında görülebilmektedir. Görüntüyü

alabilmek amacıyla arayüz üzerindeki “Kamera Aktif” butonuna basıldığında

panellerin konumu görüntülenebilmektedir. Sistem yapılan elektronik devreler

yardımıyla ve evirici ünitelerinin kontrol birimi aracılığıyla kontrol-kayıt işlemini

yapabilmektedir.

Uygulanan hibrit enerji sisteminden elde edilen değerler bilgisayar ortamında kayıt

edilerek, sistemin maksimum verimle çalıştırılabilmesi için gerekli değerlendirmeler

yapılmıştır. Sistemin uygulamadaki diğer hibrit sistemlerden başlıca farkları, güneş

panellerinden ve rüzgâr türbininden elde edilen DA gerilimlerin aynı DA barada

birleştirilmesi birbiriyle paralel çalışan iki adet yükselten konvertör yardımıyla DA

seviyenin sürekli olarak MPPT işlemi yapılmak suretiyle en yüksek seviyede

tutulması ve sistemin şebekeyle paralel çalışabilecek şekilde tasarlanmasıdır. Burada

amaç daha önce de belirtildiği gibi üretilen enerjinin ihtiyaçtan fazla olması

durumunda, enerjinin şebekeye yönlendirilerek bir anlamda satıcı konumuna

gelinmesidir. Hibrit sistemin DA giriş gücü 1919 W iken, evirici çıkış gücü 1825 W

olarak ölçülmüştür. Bu değerler ışığında evirici ve konvertörün verimi % 95 olarak

hesaplanmaktadır.

Hibrit enerji sisteminde kullanılan invertörlerin şebeke etkileşimli olmaları, şebeke

ile paralel çalışma işlemini uygun hale getirmektedir. Paralel bağlanma sırasında

132

önce gerilim değerleri sonrada frekanslar eşitlenerek, invertör ürettiği enerjiyi

şebekeye aktarmaktadır. Eğer güneş veya rüzgârdan elde edilen gerilim değeri 330 V

DA değerin altına düşerse invertör şebekeden ayrılmakta ve enerji üretimini

kesmektedir. Paralel bağlanma prosedürünün invertör tarafından gerçekleştirilmesi

yaklaşık 2 dakikalık bir zamanda olmaktadır. Bu süre içerisinde gerilim seviyesinin

aynı düzeyde ve sabit olması gerekmektedir. Güneş panellerinin birbirlerine seri

bağlanması ve kullanılan yükseltici konvertör ile elde edilen çıkış gerilimi, invertör

için gerekli olan 330 V giriş değerine ulaşmaktadır. Ancak rüzgâr türbininin

şebekeye bağlantısı sırasında belirtilen süre içerisinde türbinden elde edilen

gerilimde çok büyük bir düşüş olursa, sistemde kullanılan yükseltici konvertöre

rağmen, sistem şebekeye enerji üretme işlemini kesmektedir.

Hibrit enerji sisteminin uygulanması sırasında başta mekanik olmak üzere pek çok

problemle karşılaşılmıştır. Güneş takip sistemlerinde gövde büyüklüğü arttıkça

rüzgâr dayanımı azalmakta ve mekanik olarak daha zor hareket ettirilmektedir.

Ayrıca rüzgâr türbininin mekanik gövdesinin montajı ve direğin yerine

yerleştirilmesi mutlak suretle uzman kişiler yardımıyla yapılması gereken işlemler

olmaktadır. Türbinin yerleşim bölgelerinden uzak ve rüzgârı sürekli olarak

alabileceği bir ortama yerleştirilmesi, sistemin daha güvenli ve verimli çalışmasını

sağlayacaktır.

Güneş enerjisi dönüşüm sistemlerinde, eğer takip sistemi uygulaması yapılacaksa

sistemin küçük gövde yapısına sahip birkaç takip mekanizmasından oluşturulması

mekanik olarak daha az problemle karşılaşılmasını sağlayacaktır.

Rüzgâr türbinleri ile birlikte kullanılacak olan eviricilerin şebeke etkileşimli modeller

olarak seçilmesi durumunda şebekeye bağlantı işlemleri sabit türbin gerilimi altında

uzun süreler almaktadır. Rüzgâr hızının ve yönünün sürekli değiştiği bölgelerde

şebekeye paralel bağlanma işlemi güç olmaktadır. Bu nedenle küçük güçlü rüzgâr

türbini kullanılarak yapılan uygulamalarda elde edilen DA gerilim ile akü şarjının

yapılması şebekeye bağlantının ikinci tercih olarak kullanılması önerilir.

133

Akü şarj işlemi için tercih edilen akülerin akım değerlerinin sistemde kullanılan şarj

cihazı ile uygun olması ve akülerin sürekli olarak şarjlı olmaları, akülerin sisteme

olan katkısını olumlu yönde etkilemektedir. Aksi takdirde akülerden elde edilen

gerilim seviyesi düşmekte ve sistemin güneş ve rüzgârdan enerji elde edemediği

durumlarda, akülerden çalıştırılması işlemi akü gerilimi 60 V’un altına düştüğü

durumda gerçekleştirilememektedir. Bu nedenle kullanılan akülerin sürekli olarak

sistemde bağlı kalmaları ve şarjlı olarak kullanılmaları önerilir.

Yapılan çalışmanın, ülkemizde yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı

konusunda daha sonra yapılacak çalışmalara teknik bilgi ve uygulama konusunda yol

gösterici olması ve hibrit enerji kaynaklarının kullanımının artması yönünde

yardımcı olması beklenmektedir.

134

KAYNAKLAR 1. “Handbook of Photovoltaic Science and Engineering”, Luque A., Hegedus S.,

John Wiley & Sons Ltd., England, 61-111 (2005). 2. Nagao M., Harada K., “Power flow of photovoltaic system using buck-boost

PWM power inverter”, International Conference on Power Electronics and

Drive Systems, (1):144 – 149 (1997). 3. Chen Y.-M., Liu Y.-C., Hung S.-C., Cheng C.-S., “Multi-Input Inverter for

Grid-Connected Hybrid PV/Wind Power System”, Power Electronics, IEEE

Transactions on, 22(3):1070 – 1077 (2007). 4. Yaow-Ming C., Hsu-Chin W., “Determination of the solar cell panel

installation angle”, 4th IEEE International Conference on Power Electronics

and Drive Systems, (2): 549 - 554 (2001). 5. Yaow-Ming C., Chien-Hsing L., Hsu-Chin W., “Calculation of the optimum

installation angle for fixed solar-cell panels based on the genetic algorithm and the Simulated-annealing method”, Energy Conversion, IEEE Transactions on, 20(2): 467 - 473 (2005).

6. Tasi-Fu W., Yu-Kai C., “Modeling PWM DC/DC converters out of basic

converter units”, Power Electronics, IEEE Transactions on, 13(5):870 - 881 (1998).

7. Jun W., Jin T., Smedley K., “A new interleaved isolated boost converter for

high power applications”, Applied Power Electronics Conference and

Exposition, APEC '06. Twenty-First Annual IEEE, 6-9 (2006). 8. Morrison R., Egan M.G., “A new modulation strategy for a buck-boost input

AC/DC converter”, Power Electronics, IEEE Transactions on, 16(1):34 - 45 (2001).

9. Walker G.R., Sernia P.C., “Cascaded DC-DC converter connection of

photovoltaic modules”, Power Electronics Specialists Conference, IEEE 33rd

Annual, 1:24 - 29 (2002). 10. Jain S., Agarwal V., “Comparison of the performance of maximum power point

tracking schemes applied to single-stage grid-connected photovoltaic systems”, Electric Power Applications, IET, 1(5):753 – 762 (2007)

11. Fang Lin L., Hong Y., “Switched inductor two-quadrant DC/DC converter with

fuzzy logic control”, Power Electronics and Drive Systems, PEDS '99.

Proceedings of the IEEE 1999 International Conference on, 2:773 – 778 (1999).

135

12. Veerachary M., Senjyu T., Uezato K., “Neural-network-based maximum-power-point tracking of coupled-inductor interleaved-boost-converter-supplied PV system using fuzzy controller”, Industrial Electronics, IEEE Transactions

on, 50(4):749 – 758 (2003). 13. Bahgat A.B.G., Helwa N.H., Ahmad G.E., El Shenawy E.T., “Maximum power

point traking controller for PV systems using neural networks” Renewable

Energy, 30(8): 1257-1268 (2005). 14. Kayalvizhi R., Natarajan S.P., Anbumalar S., “Development of fuzzy logic

control for paralleled positive output elementary luo converters”, Industrial

Electronics and Applications, 1ST

IEEE Conference on ICIEA 2006, 1 - 6 (2006).

15. Yuvarajan S., Dachuan Y., Shanguang X., “A novel power converter for

photovoltaic applications”, Journal of Power Sources, 135(1-2): 327-331 (2004).

16. Chihchiang H., Chihming S., “Control of DC/DC converters for solar energy

system with maximum power tracking”, Industrial Electronics, Control and

Instrumentation, 23rd International Conference on IECON 97, (2): 827 – 832 (1997).

17. Veerachary M., Senjyu T., Uezato K., “Maximum power point tracking control

of IDB converter supplied PV system”, Electric Power Applications, IEE

Proceedings, 148(6): 494 - 502 (2001). 18. Chihchiang H., Chihming S., “Study of maximum power tracking techniques

and control of DC/DC converters for photovoltaic power system”, Power

Electronics Specialists Conference, PESC 98 Record, 29th Annual IEEE, 1: 86 – 93 (1998).

19. Jae-Hyun Y., Jeok-Seok G., Gyu-Ha C., “Analysis and control of PWM

converter with V-I output characteristics of solar cell”, Industrial Electronics, ISIE 2001, IEEE International Symposium on, 2: 1049 - 1054 (2001).

20. Yazhou Lei., Mullane A., Lightbody G., Yacamini R., “Modeling of the wind

turbine with a doubly fed induction generator for grid integration studies”, Energy Conversion, IEEE Transactions on, 21(1): 257 - 264 (2006).

21. Prats M.M., Carrasco J.M., Galvan E., Sanchez J.A., Franquelo L.G., “A new

fuzzy logic controller to improve the captured wind energy in a real 800 kW variable speed-variable pitch wind turbine”, Power Electronics Specialists

Conference, IEEE 33rd

Annual, 1: 101 - 105 (2002).

136

22. Simoes M.G., Bose B.K., Spiegel R.J., “Fuzzy logic based intelligent control of a variable speed cage machine wind generation system”, Power Electronics, IEEE Transactions on, 12(1): 87 - 95 (1997).

23. Prats M.A.M., Carrasco J.M., Galvan E., Sanchez J.A., Franquelo L.G., Batista

C., “Improving transition between power optimization and power limitation of variable speed, variable pitch wind turbines using fuzzy control techniques”, Industrial Electronics Society, IECON 2000, 26

th Annual Conference of the

IEEE, 3: 1497 - 1502 (2000). 24. Maki K., Repo S., Jarventausta P., “Effect of wind power based distributed

generation on protection of distribution network”, Developments in Power

System Protection,. Eighth IEE International Conference on (1): 327 - 330 (2004).

25. Erlich I., Winter W., Dittrich A., “Advanced grid requirements for the

integration of wind turbines into the German transmission system”, Power

Engineering Society General Meeting, IEEE , 7 (2006). 26. Chinchilla M., Arnaltes S., Burgos J.C., “Control of permanent-magnet

generators applied to variable-speed wind-energy systems connected to the grid”, Energy Conversion, IEEE Transactions on, 21(1):130 - 135 (2006).

27. Duan R.Y., Lin C.Y., Wai R. J., “Maximum-power-extraction algorithm for

grid-connected PMSG wind generation system”, IEEE Industrial Electronics, IECON 2006 - 32

nd Annual Conference on,: 4248 – 4253 (2006).

28. Chadjivassiliadis J., Heckenberg G., Kleinkauf W., Raptis F., “Power

Management for The Compound Operation of Diesel Generator Sets with Wind Energy and Photovoltaic Plants”, Europan Wind Energy Conference (EWEC), (1986).

29. Giraud F., Salameh Z.M., “Steady-State Performance of A Grid-Connected

Rooftop Hybrid Wind-Photovoltaic power System with Battery Storage”, IEEE Trans. On Energy Conv., 16: 1-7 (2001).

30. Bakirtzis A.G., Dokopoulos P.S., “Short Term Generation Scheduling in A

Small Autonomous System with Unconventional Energy Sources”, IEEE

Transactions on Power System, 3: 1230-1236 (1988). 31. Borowy B.S., Salameh Z.M., “Optimum Photovoltaic Array Size for A Hybrid

Wind/PV System”, IEEE Trans. On Energy Conv., 9: 482-488 (1994). 32. Crescimbini F., Carricchi F., Solero L., Chalmers B.J., Spooner E., Wei W.,

“Electricial Equipment for A Combined Wind/PV İsolated Generating System”, IEE Opportunities and Advances in İnternational Pover Generation

Conference, 419: 59-64 (1996).

137

33. Solero L., Carricchi F., Crescimbini F., Honorati O., Mezzetti F., “Performance of A 10 kW Power Electronic İnterface for Combined Wind/PV Isolated Generating System”, IEEE Trans. On Energy Conv., :1027-1032 (1996).

34. Elhadidy M. A., Shaahid S. M., “Promoting applications of hybrid (wind +

photovoltaic + diesel + battery ) power systems in hot regions”, Renewable

Energy, 29(4): 517-528 (2004). 35. Hongxing Y., Lin L., Wei Z., “A novel optimization sizing model for hybrid

solar-wind power generation system”, Solar Energy, 81(1): 76-84 (2007). 36. Nfah E.M., Ngundam J.M., Tchinda R., “Modelling of solar/diesel/battery

hybrid power systems for far-north Cameroon”, Renewable

Energy, 32(5): 832-844 (2007). 37. Yang J.M., Cheng K.W.E., Wu J., Dong P., Wang B., “The study of the energy

management system based-on fuzzy control for distributed hybrid wind-solar power system”, Power Electronics Systems and Applications, 2004 First

International Conference on, :113 - 117 (2004). 38. Shounan H., Qingshen Z., Delong K., Jianping M., “Application of valve-

regulated lead-acid batteries for storage of solar electricity in stand-alone photovoltaic systems in the northwest areas of China”, Journal of Power

Sources, 158(2): 1178-1185 (2006). 39. Andreas J., Juergen G., Dirk U. S., “Operation conditions of batteries in PV

applications”, Solar Energy, 76(6): 759-769 (2004). 40. Eskander M.N., Ibrahim W.M., Abdel Aziz M.M., Ibrahim A.M., “Generation

control of a wind farm with variable speed wind turbines for high power quality”, Telecommunications Conference, INTELEC '05, Twenty-Seventh

International,: 443 - 448 (2005). 41. Ko H.S., Niimura T., Jatskevich J., Kim H.C., Lee K.Y., “Power quality control

of hybrid wind power generation with battery storage using fuzzy-LQR controller”, Power Engineering Society General Meeting IEEE, 2:1721 – 1727 (2004).

42. Özdamar A., Gürsel K.T., Orer G., Pekbey Y., “Investigation of The Potential

of Wind-Wawes as A Renewable Energy Resource: By The Example of Çeşme-Turkey”, Renewable and sustainable Energy Reviews, (2004).

43. Köse R., “An Evaluation of Wind Energy Potential as A Power Generation

Source in Kütahya, Turkey”, Energy Conversion and Management, 45: 1631-1641 (2004).

138

44. Akpınar E.K., Akpınar S., “Determination of the Wind Energy Potential for Maden-Elazig, Turkey”, Energy Conversion and Management, (2004).

45. Ozerdem B., Turkeli M., “An İnvestigation of Wind Charactesistic on The

Campus of Izmir Institute of Technology, Turkey”, Renewable Energy, 28: 1013-1027 (2003).

46. Evrendilek F., Ertekin C., “Assesing The Potential of Renewable Energy

Sources in Turkey“, Renewable Energy, 28: 2303-2315 (2003). 47. İnternet : Energy Information Administration (EIA) “International Energy

Outlook 2007” http://www.eia.doe.gov/oiaf/ieo/index.html (2007). 48. İnternet : Energy Information Administration (EIA) “Forecast and Analyses

Report” http://www.eia.doe.gov/oiaf/forecasting.html (2007). 49. İnternet : Energy Information Administration (EIA) “Montly Energy Report”

http://www.eia.doe.gov/emeu/mer/contents.html (2007). 50. İnternet : Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı “Yıllara göre enerji üretimi ve

tüketimi” http://www.enerji.gov.tr/enerjiuretimi.htm (2007). 51. Fan J., Wong A., “Study on the performance of different types of PV modules

in Singapore”, The 7th International Power Engineering Conference, (2005). 52. Markvart T., Castañer L., “Practical Handbook of Photovoltaics Fundamental

and Applications”, Elsevier Ltd., Netherlands, 71-123 (2003). 53. Markvart T., Castañer L., “Practical Handbook of Photovoltaics Fundamental

and Applications”, Elsevier Ltd., Netherlands, 137-483 (2003). 54. Hrayshat E.S., “High-voltage solar cells, combining both vertical p-n junctions

in the graded band-gap layer and horizontal p-n junctions in the base layer”, Devices, Circuits and Systems, Proceedings of the 2000 Third IEEE International Caracas Conference on :D76/1 - D76/4 (2000).

55. Hussein K.H., Muta I., Hoshino T., Osakada M., “Maximum photovoltaic

power tracking: an algorithm for rapidly changing atmospheric conditions”, Generation, Transmission and Distribution, IEE Proceedings, 142(1): 59 – 64 (1995).

56. Hua C., Lin J., “An on-line MPPT algorithm for rapidly changing illuminations

of solar arrays”, Renewable Energy, 28(7): 1129-1142 (2003). 57. Yang C., Smedley K., Vacher F., Brouwer J., “A new maximum power point

tracking controller for photovoltaic power generation”, Applied Power

Electronics Conference and Exposition, APEC '03. Eighteenth Annual IEEE, 1:58 – 62 (2003).

139

58. Chung H.S.H., Tse K.K., Hui S.Y.R., Mok C.M., “A novel maximum power point tracker for PV systems”, Applied Power Electronics Conference and

Exposition, APEC 2001, 1:321 – 327 (2001). 59. Demirtaş M., “Bilgisayar kontrollü güneş takip mekanizması tasarımı ve

uygulaması”, Politeknik Dergisi, 9(4): 247-253 (2006). 60. “Wind Energy Handbook”, Burton T., Sharpe D., Jenkins N., Bossanyi E.,

John Wiley & Sons Ltd., England, 41-170 (2001). 61. Driesen J., De Brabandere K., D'hulst R., Belmans R., “Small wind turbines in

the built environment: opportunities and grid-connection issues”, IEEE Power

Engineering Society General Meeting, 2:1948 - 1949 (2005). 62. “Wind Power in Power Systems”, Ackerman T., John Wiley & Sons Ltd.,

England, 53-79 (2005). 63. İnternet : Siemens Power Generation “Siemens (Bonus) wind Turbines”

http://www.powergeneration.siemens.com/en/wind/windpower/turbines/2300kWvs/Design/ (2007).

64. Fukami T., Nakagawa K., Kanamaru Y., Miyamoto T., “A technique for the

steady-State analysis of a grid-connected permanent-magnet induction Generator”, Energy Conversion, IEEE Transactions on 19(2):318 – 324 (2004).

65. Heier S., “Grid Integration Wind Energy Conversion Systems”, Waddington

R., John Wiley & Sons Ltd., England, 31-117 (2006). 66. Matsui M., Dehong X., Longyun K., Yang Z., “Limit cycle based simple

MPPT control scheme for a small sized wind turbine generator system-principle and experimental verification”, Power Electronics and Motion

Control Conference, IPEMC 2004, 3: 1746 - 1750 (2004). 67. Yaoqin J., Zhongqing Y., Binggang C., “A New Maximum Power Point

Tracking Scheme for Wind Generation”, Power System Technology, PowerCon2002, International Conference on, 1:144 – 148 (2002).

68. Morimoto S., Nakayama H., Sanada M., Takeda Y., “Sensorless Output Maximization Control for Variable-Speed Wind Generation System Using IPMSG”, IEEE Transactions on Industry Application, 41:60 – 67 (2005).

69. Glasner I., Appelbaum J., “Advantage of boost vs. buck topology for maximum power point tracker in photovoltaic systems”, Electrical and Electronics

Engineers in Israel, Nineteenth Convention of :355 - 358 (1996).

140

70. Mohan N., Unlead T.M., Robbins W.P., “Power Electronics”, John Wiley &

Sons Ltd., England, 185-191 (2002). 71. Koizumi H., Mizuno T., Kaito T., Noda Y., Goshima N., Kawasaki M.,

Nagasaka K., Kurokawa K., “A Novel Microcontroller for Grid-Connected Photovoltaic Systems Industrial Electronics”, IEEE Transactions on, 53(6): 1889 - 1897 (2006).

72. Morita H., Shimizu T., Kimura G., Ohsawa H., Sano S., “The zero-voltage-

switching converter connected with the battery and the solar cell as DC sources”, Industrial Electronics Control and Instrumentation, IECON '94., 1: 464 – 468 (1994).

73. Kjaer S. B., Pederson J. K., Blaabjerg F., “A Review of Single-Phase Grid-Connected Inverters for Photovoltaik Modules”, IEEE Transactions on

Industry Aplications, 41(5): 1292-1306 (2005).

74. Guo-Kiang H., Chih-Chang C., Chern-Lin C., “Automatic Phase-Shift Method For Islanding Detection Of Grid-Connected Photovoltaic Inverters”, Energy

Conversion, IEEE Transactions on, 18(1):169 – 173 (2003). 75. Gustavsson M., Mtonga D., “Lead-acid battery capacity in solar home

systems—Field tests and experiences in Lundazi, Zambia”, Solar

Energy, 79(5): 551-558 (2005). 76. Martha S.K., Hariprakash B., Gaffoor S.A., Ambalavanan S., Shukla A.K.,

“Assembly and performance of hybrid-VRLA cells and batteries”, Journal of

Power Sources, 144(2): 560-567 (2005). 77. Muñoz F.J., Almonacid G., Nofuentes G., Almonacid F., “A new method based

on charge parameters to analyse the performance of stand-alone photovoltaic systems”, Solar Energy Materials and Solar Cells, 90(12): 1750-1763 (2006).

141

EKLER

EK-1.(Devam) Demirtaş M., " Bilgisayar Kontrollü Güneş Takip Sisteminin 142 Tasarımı ve Uygulaması", Politeknik Dergisi, 9 (4): 247-253 (2006).







EK-2.(Devam)Çolak İ., Sefa İ., Bayındır R., Demirtaş M., “Güneş Enerjili 149 Yüksek Güçlü Led Armatür Tasarımı”, Politeknik Dergisi, 10 (4): 347-352 (2007).






EK-3. (Devam) Çolak İ., Bayındır R., Sefa İ. And Demirtaş M., 155 “Design of a Hybrid Energy Power System Using Solar and Wind Energy”, 2nd International Conference on Technical and

Phsical Problems in Power Engineering, Tebriz-Iran, 776-778, (2004).







EK-4. (Devam)Çolak İ., Bayındır R., Sefa İ., Demirbaş Ş., Demirtaş M., 159 "Güneş Takip Sistemi Tasarım ve Uygulaması", 1. Enerji Verimliliği ve Kalite Sempozyumu, TMMOB Elektrik Mühendisleri Odası Kocaeli Şubesi, 301-305 (2005).

Güneş Takip Sistemi Tasarım ve Uygulaması

İlhami ÇOLAK Ramazan BAYINDIR İbrahim SEFA Şevki DEMİRBAŞ Mehmet DEMİRTAŞ

[email protected] [email protected] [email protected] [email protected]

[email protected]

Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Elektrik Eğitimi Bölümü 06500 Beşevler/ANKARA

Anahtar Kelimeler: Güneş Enerjisi, Güneş Pili, Güneş Takip

Özet

Bu çalışmada, güneş enerjisinin elektrik enerjisine çevrilmesi amacıyla kullanılan güneş paneli

uygulaması ve güneş takip mekanizması uygulaması yapılarak iki sistem karşılaştırılmıştır. Birinci

sistemde güneş panelleri sabit olarak yerleştirilmiş, ikinci sistemde ise güneş panelleri hareketli güneş

takip mekanizması üzerine yerleştirilmiştir. Belirlenen bir alanda ve bir ay süreyle ölçümü yapılarak

kaydedilmiştir. Böylece iki sistemin enerji üretimi ve verimi karşılaştırılmış ve hareketli olan güneş

takip sisteminin sabit olan sisteme göre daha verimli çalıştığı görülmüştür.

1. Giriş

Yeraltı enerji kaynaklarının her ülkede bulunmaması, gün geçtikçe bu kaynakların azalmaya

başlaması sonucunda enerji girdi maliyetleri artmış, böylece hayat pahalılığının artmasının yanında,

milli ekonominin üretimi olan ürünlerin rekabet ve dış satım gücü azalmıştır. Çevre kirliliği problemi

ise yeni enerji kaynakları arayışlarının hızlanmasına yol açan önemli bir etken olmuştur. Güneşten

elektrik enerjisi üretme işleminde kullanılan güneş panellerinin üretim çeşitliliği günümüz için

tatminkâr bir düzeye gelmiş bulunmakta olup, birim yüzeyde daha çok elektrik enerjisi üretme üzerine

çalışmalar devam etmektedir.

Yenilenebilir enerji kaynaklarından en yaygın olanları Rüzgar ve Güneş enerjileridir. Yeterli düzeyde

olmasa da, bu iki enerji kaynağı yeryüzünün birçok bölgesinde kolayca temin edilebilmektedir.

Türkiye iklim kuşağı olarak bu kaynaklar yönünden zengin olmasına rağmen, toplam enerji üretimi

içerisinde bu kaynaklarla enerji üretimi miktarı dünya ortalamasının çok altındadır. Diğer taraftan

Türkiye kullanmış olduğu mevcut enerji kaynakları açısından büyük oranda dışa bağımlıdır. Güneş

enerjisinden elektrik üretimine yönelik çalışmalar 1954 yılına kadar dayanmaktadır. Bu çalışmalar

1974 petrol krizinden sonra hızlı bir ivme ile artmıştır. Çevre kirliliği problemleri ile ekonomik

değerlendirmeler sonucunda ucuz ve temiz enerji düşüncesi, bu konudaki araştırmaların hızını daha da

artırmıştır. Enerji problemine çözüm düşüncesiyle; yenilenebilir enerji kaynakları olarak adlandırılan,

güneş, rüzgâr, fuel cell, gel-git, jeo-termal, fosil atık yakıt sistemleri üzerine çalışmalar yoğunlaşarak


devam etmektedir. Güneş enerjisi kullanılarak elektrik üreten sistemler üzerine yapılan çalışmalar

diğerlerine göre kolay, uygulanabilir ve düşük maliyetli olması sebebiyle ticari ürüne dönüşmüş

durumdadırlar. Kontrol kolaylığı ve yatırım maliyetinin düşüklüğü sebepleri ile önceleri güneş veya

rüzgâr enerjisinin birbirinden bağımsız olarak üretimi ve kullanımı üzerine çalışmalar yapılmıştır.

Güneşi izleyen kollektör yapısının kullanılması ile enerji üretiminin yüzde 45, buna karşılık yatırım

maliyetinin yüzde 10 artacağı, böylece birim yatırımdan daha çok istifade edileceği rapor edilmiştir

(1). Ancak, bu gelişmelerden sonra dahi, her bir sistemin bağımsız kullanımı sonucunda üretilen enerji

gün ışığının, ya da rüzgârın olmadığı zamanlarda ihtiyaca cevap veremediğinden, depolama

ihtiyacının ekonomik olmayacak boyutlarda büyümesine yol açmakta ve şebekeden beslenemeyen

alıcılar için sık sık çalışması gereken dizel jeneratör ihtiyacı doğmaktadır. Bağımsız çalışan

sistemlerde hem dizel desteğini, hem de enerji depolama maliyetini azaltmak, şebekeyle paralel

çalışabilen sistemlerde ise, enerji depolama maliyetini ve kullanıcının ödeyeceği fatura bedelini

azaltmak amacı ile güneş enerjisinin kullanıldığı sistemler üzerine çalışmalar başlamıştır (2, 3). Mikro

denetleyicilerin ve güç elektroniğindeki gelişmelerin de etkisi ile güneşten enerji üreten sistem

tasarımı üzerine yapılan çalışmalar uluslararası düzeyde yoğunlaşarak devam etmektedir. Bu

gelişmelerin sonucunda, birim yatırımdan enerji üretim maliyeti çok daha düşük seviyelere

çekebilecek, hatta küçük ölçekli bir kullanıcı şebeke ile paralel çalışabilen bir evirici kullanması

halinde, günün belli saatlerinde satıcı konumunda olabilecektir. Bu sebeple şebeke ile paralel

çalışabilen eviriciler üzerine yapılan çalışmalar günümüzde önemli bir yer tutmaktadır (4-8). Bu tür

uygulamalarda sistemin kurulacağı yerin güneş analizi başlangıçta en önemli kriter olmaktadır.

Ülkemizde, bölgelere göre rüzgar ve güneş analizleri yapılmış, sistemler bağımsız olarak araştırılmış

veya uygulanmıştır (9-11). Güneş panelleri ile oluşturulan sistemlerle yurt dışında yapılan değişik

uygulamalarda, güneş enerjisi kullanılarak dizayn edilen sistemin performansı bilgisayar simülasyonu

kullanılarak nonlineer modellerle karşılaştırılmıştır (12, 13).

Güneş enerjili sistemlerin kullanıldığı çalışmalar genelde küçük ölçekli sistemlerin beslemesi

amacıyla kullanılmıştır. Bunlara örnek olarak telekomünikasyon sistemleri ve anten vericileri

gösterilebilir (14).

Tasarlanan sistemde güneş takip mekanizması kullanılarak, güneş panellerinin sabit konumlu olan

modellere göre daha fazla elektrik enerjisi üretileceğinden, kullanıcı taleplerinin ve akü grubu şarj

işlemi için gerekli enerjinin daha fazla karşılanabileceği yönünde çalışmalar yapılmıştır.

2. Güneş Enerjisi Sisteminin Uygulanması

Bu çalışmada, enerji üretimi için, güneş enerjisinden en çok faydalanılabilecek bir mahal

belirlenmiştir. Bu alana bir alıcı yerleştirilerek, deneysel olarak yapılan çalışmada; akım, gerilim ve


güçler gün ve ay bazında veri kayıt sistemi yardımıyla sürekli olarak kaydedilecektir. Güneş

kollektörlerinden elde edilen DA gerilim, tasarlanan boost konvertör yardımıyla sabit gerilimli bir

barada toplanacaktır. Bu DA gerilimden aküler şarj olacak, aynı zamanda akülerin şarjı tam ise yük

beslenecektir. Akülerin şarjı öncelikli olacaktır. Güneş panellerinden gelecek olan enerjinin azalması

durumunda ise, yüke enerji transferi kesilerek sadece aküler şarj edilecektir. Akülerde depolanan

enerji miktarı ve yüke göre kullanım süreleri hesaplanarak, kullanıcıya bilgi verilmesi amaçlanmıştır.

Çalışma genel olarak üç aşamada gerçekleştirilecektir. İlk aşamada kaynaklardan gelen DA gerilimin

depolanması, evirici girişine uygun hale getirilmesi ile ilgili devrelerin tasarımı ve uygulaması

yapılacak. İkinci aşamada güneş panellerinin mekanik kısımları oluşturulup, alan araştırması

sonucunda belirlenmiş olan yere sistem kurulacaktır. Son aşamada oluşturulan bütün sistem

parçalarının birbiriyle tam uyum içinde çalışması için gerekli programlama, bağlantı ve veri toplama

işlemleri yapılacaktır. Tasarlanan sisteme ait blok şema Şekil.1’de verilmiştir. Şekilde güneş

panellerinden elde edilen gerilim boost konvertöre uygulanmış, boost konvertör çıkışı da invertör ve

şarj ünitesine verilmiştir. Şarj ünitesi, akü grubunu şarj etmekte ve şarjın başlayıp bitirilmesi bilgisini

mikroişlemciden almaktadır. İnverterin çıkışındaki A.A. gerilim yük’e aktarılmıştır. Yüke giden

enerjiyi ve sistemin ürettiği enerjiyi ölçmek amacıyla devreye bir sayaç bağlanmıştır. İnvertörü

devreye alıp çıkartma bilgisi mikroişlemci tarafından kontrol edilen bir anahtarla sağlanmaktadır.

Ayrıca güneş panellerinin, akü grubunun, invertör girişinin, yükün ve şebekenin akım bilgilerini

okumak amacıyla akım algılayıcılar yerleştirilmiştir.

EK-4. (Devam)Çolak İ., Bayındır R., Sefa İ., Demirbaş Ş., Demirtaş M., 162

"Güneş Takip Sistemi Tasarım ve Uygulaması", 1. Enerji Verimliliği ve Kalite Sempozyumu, TMMOB Elektrik Mühendisleri Odası Kocaeli Şubesi, 301-305 (2005).

GüneşPanelleri

a. Güneş panelleri akım algılayıcısıb. Boast Konvertör anahtarlama sinyalic. Akü Grubu akım algılayıcısıd. İnverter girişi akım algılayıcısıe. Yük akımı algılayıcısı

DCACb

Akü Grubu

Mikrokontrolör

d

c

ŞarjÜnitesi

abc

de

kWh Yük

f

ea

Şekil.1 Güneş Enerjisi Kullanılarak Elektrik Üretim Sisteminin Blok Şeması

3. Yöntem

Yapılan işlemlerin sırası aşağıda verilmiştir.

1) Uygulanan sistemin blok diyagramı Şekil.1’de verilmiştir. Öncelikle güneş panellerinin

kurulacağı yer için araştırma yapılarak sistemin kurulumu için veri toplanacaktır.

2) Güneş panelleri bu mekana kurularak deney süresince beslenecek alıcı bağlantıları

gerçekleştirilecektir.

3) Güneş panellerinden elde edilen doğru gerilim boost konvertör yardımıyla DA baraya

aktarılacaktır. Buradaki ünitelerin akım, gerilim ve güç bilgileri de dikkate alınarak, DA bara

sabit gerilimde tutulmaktadır.

4) Hem DA baraya, hem de yüke bağlı şarj ünitesi yardımıyla akü grubu mikrodenetleyicinin

kontrolü altında şarj edilecektir.

5) Akü grubundan veya boost konvertörden gelen enerji, DA/AA invertör yardımıyla AA gerilime

dönüştürülecek ve yük beslenecektir.



6) Sistemin kurulumundan sonra her iki sistem içinde çalışma süresince tüm akım, gerilim, güneş

enerjisi miktarı ve sayaç bilgileri saat ve gün bazında, sayaçlar ve kaydetme sistemi yardımıyla

kaydedilecek ve sonuçlar rapor edilecektir.

4. Tasarım ve Uygulama

Tasarlanan sistemde ilk olarak, sistemin parçaları arasındaki iletişimi sağlayacak arabirim kartı

tasarlanmış ve bu kartın programı PICC dilinde yazılmıştır. Bu kartın görevi; güneş panellerinden

alınan gerilim bilgisi ve akü grubundan alınan gerilim bilgisini değerlendirip, şarj ünitesine şarjı

başlatıp durdurabilmesi için sinyal göndermektir. Ayrıca akü grubunun şarj gerilimi yeterli, yani

aküler dolu ise panellerden gelen gerilimi konvertöre aktaracaktır. İkinci aşamada, güneş panellerinin

sabit olduğu uygulama için devreler yapılarak sistem parçaları bir araya getirilmiştir. Panelin sabit

konumda mevsime göre en uygun konumu belirlenerek ölçüm yapıldığı süre boyunca sabitlenmiştir.

Sabit güneş paneli uygulamasının mevsimlere göre hangi konumlarda olacağı Şekil.2’de verilmiştir.

Şekilde verilen açı değerlerine güneş paneli sabitlendiğinde mevsimlere göre en yüksek enerji üretim

değerlerine ulaşılmaktadır.

KIŞ(a)

BAHAR(b)

YAZ(c)

SONBAHAR(d)

Güneş Panellerinin mevsimlere göre konum değiştireceği tarihler ve açı değerleri ;a) Şubat ayında : Yatay eksenle 45 derece açı yapacak şekilde.b) Mayıs ayında : Yatay eksenle 30 derece açı yapacak şekilde.c) Ağustos ayında :Yatay eksenle 15 derece açı yapacak şekilde.d) Kasım ayında : Yatay eksenle 45 derece açı yapacak şekilde.

45o

Şekil.2 Mevsimlere göre güneş paneli konumları

Sabitlenen güneş panellerinden belirlenen sürede ölçümler yapılarak değerler bilgisayar ortamına

kaydedilmiştir. Üçüncü aşamada, güneş panellerinin elektrik enerjisi üretimi sırasında daha verimli

olabilmesi için bir güneş takip mekanizması tasarlanmış ve sistemin 18F452 mikroişlemci ile kontrol

edilebilmesi için bilgisayar programı ve simülasyonu yapılmıştır. Yapılan simülasyonda, güneş

panellerinin çevresine yerleştirilen dört adet sensörden alınan bilgiler değerlendirilmektedir. Bu

bilgiler doğrultusunda mikroişlemciye bağlı iki adet step motor panelleri dikey eksende 360o ve yatay



eksende 120o döndürmektedir. Devreye panellerin hangi konumda olduklarını göstermek amacıyla bir

LCD ekran bağlanmıştır. Yapılan sisteme ait blok diyagram Şekil.3’de verilmiştir. Güneş takip

mekanizmasında güneş panelleri ışığın en fazla olduğu yöne doğru dönüp gün boyunca ışığı takip

etmektedirler.

Şekil.3 Güneş takip mekanizması için tasarlanan sistemin simülasyonu

Güneş takip sisteminin uygulaması da sabit güneş paneli uygulamasının yapıldığı noktaya

yerleştirilerek belirlenen sürede akım, gerilim ve güç bilgileri alınarak bilgisayar ortamına

kaydedilmiştir.

5. Sonuç ve Öneriler

Güneş enerjisinden elektrik elde etmeye yönelik olarak tasarlanan biri sabit diğeri güneşi takip eden

iki sistemden bir hafta süresince gün ve saat bazında elde edilen gerilim değerleri toplanarak

bilgisayar ortamında kaydedilmiştir. Sabit güneş paneli uygulamasında elde edilen değerler ve güneş

takip mekanizmasından elde edilen değerler Şekil.4’te verilmiştir. Şekilde bir günlük elde edilen

değerlerin saatlere göre değişiminin karşılaştırmalı olarak grafiği verilmiştir. Deneyler süresince

kullanılan güneş paneli normal gün ışığında 12 Volt güneşi tam olarak aldığı zamanlarda ise 17 Volt

gerilim üretmektedir. Panelin güneşi görmediği veya havanın kapalı olduğu zamanlarda ise 10 Volt

gerilim üretilmektedir.



Gerilim(Volt)

10 V

11 V

12 V

13 V

14 V

15 V

16 V

17 V

Zaman(Saat)

05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Sabit Güneş Paneli

Güneş Takip Sistemi

Şekil.4 Sabit güneş paneli ve Güneş takip sisteminin günlük gerilim değerleri

Güneş takip sistemi ve sabit sistemin onbeş günlük ölçüm değerleri karşılaştırılarak sonuçta;

Enerji üretimi ve performans bakımından güneş takip sisteminin sabit sisteme göre %45 oranında

verimli olduğu ispatlanmıştır.

Uygulanan sistem deneysel olmasına karşın gerçek boyutlarda bir sisteme tatbik edildiğinde enerji

üretiminde aynı verim alınacaktır. Ancak sistem maliyetleri yönünden karşılaştırıldığında güneş takip

sisteminin sabit sisteme göre %15 daha fazla bir maliyeti olduğu belirlenmiştir.

Sabit sistem olarak belirtilen uygulamanın Şekil.2’de verildiği gibi yılın belirli zamanlarında, güneşin

konumuna göre hareket ettirilmesi gerekmektedir. Böyle bir durum bile sistemi sabit olmaktan çıkarır.

Eğer yıl boyunca sabit sistem hiç hareket ettirilmese verimi daha da düşecektir.

Teşekkür

Yazarlar, bu çalışmanın gerçekleştirilmesinde finansman desteği sağlayan Gazi Üniversitesi Bilimsel

Araştırma Fonu ve Devlet Planlama Teşkilatı’na teşekkürü bir borç bilir.

Kaynaklar

1. Shugar D.S., Hickman T., Lepley T. “Commercialization of A Value-Engineered

Photovoltaic Tracking System”, 25 th IEEE PVSC Proceedings, May 1996, pp. 1537-1540.

2. Chadjivassiliadis J., Heckenberg G., Kleinkauf W., Raptis F. “Power Management for The

Compound Operation of Diesel Generator Sets with Wind Energy and Photovoltaic Plants”, European Wind Energy Conference (EWEC), 7-9 Oct 1986.



3. Bakirtzis A.G., Dokopoulos P.S. “Short Term Generation Scheduling in A Small Autonomous

System with Unconventional Energy Sources” IEEE Transactions on Power System, August 1988, Vol 3, pp. 1230-1236.

4. Borowy B.S., Salameh Z.M. “Optimum Photovoltaic Array Size for A Hybrid Wind/PV

System” IEEE Trans. On Energy Conv., Sept 1994, Vol 9, pp. 482-488.

5. Armstrong M. “Power Quality Improvement of Grid Connected Photovoltaic Inverters”

6. Qiao C., Smedley K.M. “Unified Constant-Frequency Integration Control of Three-Phase

Grid-Connected Inverter for Alternative Energy Power Generation” IAS 2001- P_63_4, pp. 1-8

7. Wang X., Kezerani M. “A Modular Photovoltaic Grid-Connected Inverter Based on Phase-

Shifted-Carrier Technique”, IEEE Trans. On Energy Conv., 2002, pp. 2520-2525.

8. Zhong Q.C., Green T., Liang J., Weiss G. “Robust Repetitive Control of Grid Connected

DC-AC Converters”, Proceedings of The 41st IEEE Conference on Decision and Control, December 2002, pp.2468-2473.

9. Kaygusuz K., Sarı A. “Renewable Energy Potential and Utilization in Turkey”, Energy Conversion and Management, 2003, 44, pp. 459-478.

10. Evrendilek F., Ertekin C. “Assessing The Potential of Renewable Energy Sources in Turkey“, Renewable Energy, 2003, 28, pp. 2303-2315.

11. Ocak M., Ocak Z., Bilgen S., Keleş S., Kaygusuz K. “Energy Utilization, Environmental

Pollution and Renewable Energy Sources in Turkey”, Energy Conversion and Management, 2004, 45, pp. 845-864.

12. Ai B., Yang H., Shen H., Liao X. “ Computer-aided design of PV/Wind hybrid system”, Renewable Energy, 2003, 28, pp. 1491-1512.

13. Sikyung K., Changbong K., Jinsoo S., Gwonjong Y., Youngscok j. “ Load Sharing

Operation of A 14 kW Photovoltaic/Wind Hybrid Power System” IEEE, 26th PSCV; ,Sept 30- Oct 3, 1997 Anahein, CA. 1325 – 1334.

14. Vilsan M., Nita I. “ A Hybrid Wind-Photovoltaic Pover Supply for A Telecommunication System”, IEEE Trans. On Energy Conv., 1997, pp. 589-596.

EK-5. (Devam) Çolak İ., Sefa İ., Bayındır R., Demirbaş Ş., Demirtaş M., “Hibrit Enerji Sistemleri İçin Paralel Çalışabilen Boost Konvertör Simülasyonu” VI. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, Isparta, Süleyman Demirel Üniversitesi, 725-734, (2006).

167

HİBRİT ENERJİ SİSTEMLERİ İÇİN PARALEL ÇALIŞABİLEN

BOOST KONVERTÖR SİMÜLASYONU

İlhami ÇOLAK İbrahim SEFA Ramazan BAYINDIR

Şevki DEMİRBAŞ Mehmet DEMİRTAŞ

GEMEC, Gazi Elektrik Makinaları ve Enerji Kontrol Grubu,


[email protected] [email protected] [email protected] [email protected] [email protected]

ÖZET

Bu çalışmada güneş ve rüzgâr enerjisi sistemlerinin birlikte kullanıldığı hibrit bir sistem için DA–DA konvertör simülasyonu gerçekleştirilmiştir. Sistemde iki enerji kaynağına ait birer adet konvertör mevcuttur. Bu konvertörler ile hibrit çalışmanın sağlanabilmesi için her iki konvertör ortak bir doğru akım barasında birleştirilmiştir. Konvertörlerin paralel çalıştırılmaları ile ortak DA barada toplanan enerji bir invertörden yardımıyla alternatif akıma dönüştürülmüştür. Böylece sistemin maliyeti azaltılmış, güneş ve rüzgârın her zaman enerji üretiminde örtüşmediği düşünülerek kullanılabilirlik oranı arttırılmıştır. Bu amaçla tasarlanan boost konvertörler bir işlemci ile tasarlanmış, PI kontrolör ile sistemin Simulink’te simülasyonları yapılmıştır.

Anahtar Kelimeler: Yenilenebilir enerji, Yükseltici konvertör, Hibrit sistemleri.

ABSTRACT

In this study, a DC to DC converter based on a hybrid energy storage unit combined of solar and wind has been simulated using Matlab/Simulink. In this system, one converter is available for each energy sources. These two converters are then connected to a common DC bar for hybrid operation. Energy collected on DC bar has been converted to alternating current via one inverter. Thus, the cost of the system is decreased, and then the rate of usability of the system is increased during the solar and the wind systems are not in operation.

Key Words: Renewable energy, Boost converter, Hybrid systems.


168

1. GİRİŞ

Günümüz dünyasında kullanmakta olduğumuz yeraltı enerji kaynaklarının gün

geçtikçe azalmaya başlaması ve ülkelerin bunu politik bir baskı amacı olarak da

kullanmaları sonucunda enerji girdi maliyetleri artmıştır. Çevre kirliliği problemleri

ile ekonomik değerlendirmeler sonucunda, ucuz ve temiz enerji düşüncesi ise yeni

enerji kaynakları arayışlarının hızlanmasına yol açan önemli bir etken olmuştur.

Enerji problemine çözüm düşüncesiyle; yenilenebilir enerji kaynakları olarak

adlandırılan, güneş, rüzgâr, yakıt hücresi (fuel cell), gel-git, jeo-termal, fosil atık

yakıt sistemleri üzerine çalışmalar yoğunlaşarak devam etmektedir. Yenilenebilir

enerji kaynaklarından en çok yaygın olanları Rüzgâr ve Güneş enerjileridir. Yeterli

düzeyde olmasa da, bu iki enerji kaynağının yaygın olmasının en önemli sebepleri;

yeryüzünün birçok bölgesinde uygulanabilir olması ve bileşenlerinin kolayca temin

edilebilmesidir. Türkiye iklim kuşağı olarak bu kaynaklar yönünden zengin olmasına

rağmen, toplam enerji üretimi içerisinde bu kaynaklarla enerji üretimi miktarı dünya

ortalamasının çok altındadır. Örneğin Türkiye’nin toplam elektrik enerjisi üretimi

içerisinde rüzgâr enerjisi oranı %2 (1,2MW) iken Almanya’da %15, Danimarka’da

%20’dir [1]. Ayrıca, yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı devlet tarafından

gerek kurulum esnasında ve gerekse alım süresince çeşitli şekillerde

desteklenmektedir. Diğer taraftan Türkiye kullanmış olduğu mevcut enerji kaynakları

açısından büyük oranda dışa bağımlıdır.

Güneş enerjisi kullanılarak elektrik üreten sistemler üzerine yapılan çalışmalar

diğerlerine göre kolay, uygulanabilir ve düşük maliyetli olması sebebiyle ticari ürüne

dönüşmüş durumdadırlar. Kontrol kolaylığı ve yatırım maliyetinin düşüklüğü

sebepleri ile önceleri güneş veya rüzgâr enerjisinin birbirinden bağımsız olarak

üretimi ve kullanımı üzerine çalışmalar yapılmıştır. Güneşten elektrik enerjisi üretme

işleminde kullanılan güneş panellerin üretim çeşitliliği günümüz için tatminkâr bir

düzeye gelmiş bulunmakta olup, birim yüzeyde daha çok elektrik enerjisi üretme

üzerine çalışmalar devam etmektedir. Belirlenmiş olan bir güç değeri için belirli

sayıda güneş panelinin seri-paralel bağlanmaları sonucu istenilen gücün elde

edilmesi mümkün olabilmektedir. Ancak bu panellerden elde edilen gücün DA


169

olması ve şebekenin ya da kullanıcıların AA güç taleplerinin bulunması, bir DA/AA

evirici ihtiyacını zorunlu kılmaktadır. Sadece gün ışığında enerji üretilebilmesi ise,

gün ışığının olmadığı zamanlarda kullanım amacıyla bu enerjinin depolanması

gerekliliğini de ortaya koymaktadır. Enerjinin depolanmasında kullanılan aküler ise,

sistemin diğer bileşenlerine göre çok daha kısa ömürlü bir malzeme olduğundan, bu

elemanlara daha az ihtiyaç duyulmalıdır. Yani akülerin ömrünü belirleyen en önemli

ölçütlerden birisi şarj-deşarj sayısıdır. Güneşin olmadığı saatlerde rüzgârdan elektrik

enerjisi üretilebileceğinden, kullanıcı talepleri bu enerjiden karşılanacaktır. Böylece

akü grubu daha kısa süreli seçilebilecek, Hibrit sistemde akülerin şarj-deşarj sayısı

hibrit olmayan bir sisteme göre daha az olacağından akülerin kullanım ömrü

uzayacaktır [2].

Elektrik enerjisi üretiminde kullanılan rüzgâr santralleri birkaç yüz Watt değerinden

birkaç mega Watt değerine kadar üretilmekte ve kullanılmaktadır. Bu ürünlerin

küçük ölçekli olarak adlandırılabilenleri rüzgârın en uygun olması halinde bile, bir

evin ihtiyaçlarını günün her saatinde karşılayabilecek düzeyde değildir. 1 kW ve

daha yüksek güçler için ise önemli fiyat artışı olmaktadır. Rüzgâr enerjisinin depo

edilebilmesi içinde alternatör çıkışının doğrultulması ve bir düzenleyici üzerinden

akü grubuna bağlanması gereklidir. Güneş enerjisi ile birlikte kullanım halinde akü

grubu maliyeti düşecek ve aküden, şebekeden veya dizel jeneratörden beslenme

ihtiyacı azalacaktır.

3. GÜNEŞTEN ELEKTRİK ENERJİSİ ÜRETİLMESİ

Güneş enerjisinden elektrik enerjisi elde etme amacıyla tasarlanan sistemler,

panellerden elde edilen enerji şebeke etkileşimli çalışma, ada modu çalışma,

depolama sonra kullanma gibi farklı yöntemlerle yüke iletilmektedir. Şebeke

etkileşimli çalışmada panellerden elde edilen DA gerilim bir evirici yardımıyla

doğrudan şebekeye aktarılmaktadır, ada modu çalışmada şebekenin olmadığı yerde

alıcılar doğrudan beslenmektedir, depolama sonra kullanma durumunda ise bir akü

grubu şarj edilerek enerji depolanmakta ve ihtiyaç duyulduğunda kullanılmaktadır

[3]. Simülasyonu yapılan sistemde ise, panellerden elde edilen DA gerilim bir


170

yükselten konvertörden geçirilmekte ve konvertörün çıkışındaki gerilim invertör

vasıtasıyla AA’a çevrilerek kullanıcıya iletilmektedir. Buradaki amaç güneş

panellerinden gelen enerjiyi invertörün giriş seviyesi sınırları içerisinde tutabilmek,

ayrıca sistemin maksimum güç noktası takibi (MPPT) yapabilmesinin sağlamaktır.

Yükselten konvertörün anahtarlama elemanına uygulanan boşluk darbe oranları

değiştirilerek, konvertör çıkışındaki gerilim seviyesi değiştirilmektedir.

Fotovoltaik panellerde güneş ışıması, çevre sıcaklığı gibi faktörlere bağlı olarak

maksimum güç noktası değişmektedir. MPPT yapılmasının amacı mevcut yatırımdan

maksimum enerji sağlayarak verimi yükseltmektir. Bu durum ise ancak panel

gerilimi ve panelden çekilen akım değerlerinin sürekli olarak takip edilip, maksimum

gücün hesaplanması yolu ile yapılır. Şekil 1.a’da sistemde kullanılan Sharp

NUSOE3E modeli 185 Watt’lık güneş panelleri için belirli bir değerdeki maksimum

güç noktası ve Şekil 1.b’de ise güneş panelinin MPPT uygulanmayan durumdaki yük

eğrileri verilmektedir.

Çıkış Gücü (W)

Çıkış Gerilimi (V)

MPPT

150

0

30

60

90

120

180

5 25201510

Çık

ış A

kım

ı (A

)

Çıkış Gerilimi (V)

Yük Eğrisi

7

5

0

1

2

3

4

6

5 25201510

MPP Yük Eğrisi

(a) (b)

Şekil 1. (a)MPPT uygulanan modül Güç-Voltaj ( b) Akım-Voltaj karakteristik

eğrileri

Şekilden de görüleceği gibi güneş panelinden elde edilen farklı gerilim ve akım

değerlerine karşılık, güç noktası en yüksek seviyede tutulmaya çalışılmaktadır.

Böylece sistemin en iyi verimle çalıştırılması sağlanmaktadır. Maksimum güç

noktası takip işlemi sırasında güneş panelleriyle ilgili olarak iki faktörün dikkate


171

alınması gerekmektedir. Panellerin farklı güneşlenme ve sıcaklık değerlerinde

verimleri değiştiği için maksimum güç noktaları da çevre sıcaklığı değiştikçe veya

güneşlenme miktarındaki değişmelere bağlı olarak değişmektedir [4].

4. RÜZGÂRDAN ELEKTRİK ENERJİSİ ÜRETİMİ

Rüzgâr türbinlerinin rüzgâr enerjisi üretiminde maksimum verimde çalıştırılabilmesi

için, alternatörün parametrelerine bağlı olarak maksimum güç noktasının takip

edilmesi gerekmektedir. Ayrıca rüzgâr hızındaki ani değişiklikler ve türbinin

mekanik tepkilerinin de bilinmesi gereklidir. Bu bilgiler ile birlikte kullanılan

türbinin yapısına bağlı olarak, MPPT kontrol sistemi çeşitlilik göstermektedir. MPPT

kontrol uygulamalarındaki temel farklılıklar şu şekilde sıralanabilir;

• Maksimum güç noktası izleme adımları rüzgâr hızındaki değişimlere bağlı

olarak ayarlanan sistemler,

• PWM sinyalindeki ölü zamanı (dead time effect) doğru belirlemek güç

anahtarlarının kısa devre olmasını, ya da ısınmasını engeller. Aynı zamanda,

ölü zamanın alternatörün dönüş hızıyla senkronize edildiği sistemler ki

burada, güç eğrisinin kararlı olması ve MPP noktasının izlenmesi için

alternatörün dönüş hızıyla senkronize PWM sinyali üretilir.

• Alternatörün dönüş hız referansındaki dalgalanmaları azaltmak için MPPT

kontrolörün çıkışında alçak geçiren filtre kullanılan sistemler. Bu sistemlerde

filtrenin gecikme etkisi ile sistemin mekanik zaman sabiti dikkatle

incelenmelidir.

Sonuçta bu sistemlerle, yüksek verimli, düşük maliyetli, hızlı ve kararlı enerji

dönüşümü yapılması amaçlanmaktadır [5].

Rüzgâr türbinleri ile yapılan MPPT uygulamalarında öncelikle kullanılan rüzgâr

türbininin çeşitli rüzgâr hızı değerlerindeki, alternatör hızı ve çıkış gücünü

karşılaştıran eğrileri çıkarılmaktadır. Sonra bu eğrilerden faydalanılarak türbinin

maksimum güç noktaları belirlenmekte ve sistem buna göre düzenlenmektedir. 1,5


172

kW’lık bir rüzgâr türbini için yapılan deneyler sonucunda elde edilen hız-çıkış gücü

eğrisi Şekil 2’de verilmiştir.

500 1000 1500 2000 2500 30000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

12 m/s

11 m/s

10 m/s

9 m/s

8 m/s

7 m/s 6 m/s

5 m/s

Rüzgar Türbini Karakteristiği

Güç

(kW

)

Generatör Hızı (rpm)

Maksimum Güç Eğrisi

Şekil 2. 1,5 kW’lık rüzgâr türbininin Hız-Güç eğrisi

Şekilde çeşitli rüzgâr hızı değerlerinde türbinin alternatör dönüş hızına bağlı olarak

elde edilen çıkış gücü eğrileri verilmiştir. Eğrilerin tepe noktalarını birleştiren

üçüncü eğri ise bu türbin için maksimum güç noktası takip eğrisi olmaktadır [6].

5. HİBRİT SİSTEMDE KULLANILAN KONVERTÖRLERİN YAPISI VE

SİMÜLASYONU

Tasarlanan hibrit sistemde, güneş ve rüzgâr enerjilerinden aynı anda yararlanılarak

elektrik enerjisi üretimi amaçlanmaktadır. Hibrit sistemlerde kullanılacak kaynaklar

çeşitlilik göstermektedir. Uygulamada güneş, rüzgâr ve üçüncü kaynak olarak da

dizel jeneratör kullanılan sistemler üzerine çalışmalar yapılmaktadır. Ancak kaynak

sayısı ne kadar artarsa sistemin verimli çalışabilmesi için gerekli kontrol sistemi daha

fazla karmaşık olmaktadır [7]. Bu çalışmada birisi sabit mıknatıslı rüzgâr türbini

çıkışında, diğeri ise güneş panelleri çıkışında olmak üzere iki adet boost konvertör

kullanılmış ve bunların çıkışı aynı DA barada toplanmıştır. Konvertörlerin her ikisi

aynı anda çalışabileceği gibi rüzgâr ya da güneşten herhangi birinin enerji üretim

durumuna göre tek başına da çalışabilecektir. Bu durumu karşılayabilecek simulink

modeli oluşturulmuş ve güneş ve rüzgâr enerjilerinin birlikte kullanıldığı hibrit


173

konvertörün simülasyonu yapılmıştır. Simülasyonu yapılan sistemin rüzgâr ile ilgili

konvertöre ait MATLAB/SIMULINK modeli Şekil 3’de verilmiştir.

Şekil 3. Rüzgâr enerjisi ile kullanılan boost konvertörün simülasyonu

Burada her iki sistemin girişine güneş paneli modeli ve rüzgâr jeneratörü modelinden

gerilim uygulanmıştır. Konvertörlerin girişlerindeki DA gerilim ve akımlardan

hesaplanan güç değeri, maksimum güç noktası takip işlemi için referans güç girişi

olarak kabul edilmektedir. Elde edilen Prüzgar ve Pgüneş güçleri mantıksal bir döngüde

sürekli olarak hesaplanarak bir önceki değerler ile karşılaştırılmakta ve güç

değerlerinin artış veya azalma değerlerine göre üretilmekte olan PWM sinyalinin

anahtarlama oranı değiştirilmektedir.

Konvertörlerin çalışması sırasında iki ayrı durum göz önünde bulundurularak sistem

tasarımı ve programlama yapılmıştır. İki konvertörün çıkışları aynı baraya

birleştirilerek oluşturulan otak DA’nın çıkış gerilim seviyesini sabit tutabilmek

amacıyla her iki konvertörün anahtarlama sinyalleri, birbirleri ile ilişkili ancak

bağımsız olarak değişmektedir.

Her iki konvertöre çalışması esnasında, her iki kaynaktan da maksimum güç transferi

hedeflenmiştir. Olabilecek durumlar ise şu şekilde sıralanabilir;

• Rüzgâr jeneratörü ile güneş panellerinin aynı anda enerji üretmesi,

• Rüzgârdan enerji üretilip güneşten üretilememesi,

• Güneş panellerinde enerji üretilip rüzgâr türbininden enerji üretilememesi,


174

gibi durumlarda, konvertörler ile sistemden üretebilecek gücü maksimum değerde

tutabilmektir. Simülasyonu yapılan konvertörlerin maksimum güç noktası takibine

ait MATLAB/SIMULINK uygulaması Şekil 4’te verilmiştir.

Şekil 4. Hibrit boost konvertörlerin MPPT simülasyonu

Boost konvertörün giriş ve çıkışın gerilimleri ile giriş akım değerleri okutulmakta, bu

değerlerden girişe ait olanlar MPPT ve koruma çıkışlar ise koruma amaçlı

kullanılmaktadır. Koruma fonksiyonlarını da içeren maksimum güç takibi

algoritmasına göre üretilen değişken PWM sinyali güç anahtarlarının kapı girişlerine

uygulanmaktadır. Maksimum güç noktası takibi esnasında yapılan PWM oranlarının

belirlenmesinde, kaynağın (PV modüllerin) maksimum akım değeri ile yükselten

konvertörün çıkışına bağlanacak olan invertörün DA giriş gerilimi ve güç

değerlerinin aşılmaması durumu da kontrol edilmektedir.

Sistemde konvertörler ayrı olarak çalıştırılmakta, ancak çıkışları aynı DA baraya

bağlanmaktadır. Simülasyonda sistemin farklı yükler karşısındaki tepkisini

değerlendirebilmek amacıyla iki farklı değerdeki yük sırasıyla devreye girmektedir.

Boost konvertörün hibrit olarak çalıştırılmasına ve kademeli olarak yüklenmesine ait

simülink modeli Şekil 5’te verilmiştir.


175

Şekil 5. Boost konvertörün MATLAB simülasyonu

Konvertörlerde kullanılan ikinci kademedeki bobinler gerilimdeki dalgalanmaları

filtre etmek için kullanılmıştır. Ayrıca konvertörlerin bir diğerinden ters akım

geçirmesini önlemek için çıkışlarına ters diyot bağlanmıştır.

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-500

0

500

1000

zaman (s)

geri

lim

(V

)

Yük 1 Yük 2

(a)

gerilim-zaman grafiği

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-50

0

50

100

150

zaman (s)

akım

(A

) Yük 2Yük 1

(b)

akım-zaman grafiği

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-5

0

5

10x 10

4

zaman (s)

güç

(VA

) Yük 2Yük 1

(c)

güç-zaman grafiği

Şekil.6 Simülasyon sonuçları


176

Simülasyondan elde edilen sonuçlar Şekil 6’da verilmiştir. Şekil 6.a, b ve c’de MPPT

sağlamak amacıyla 2. yükün devreye girdiği andaki anahtarlama sinyalinin durumu

her üç grafikte de görülmektedir. Şekil 6 a’da gerilim zaman grafiği görülmektedir.

Devrede 0.04 saniyeye kadar 1. yük, 0.04 saniyeden sonra 2. yük devreye

girmektedir. 1. yük devrede iken gerilim değeri 500 V’un üzerinde iken, 2. yük

devreye girdiğinde bu gerilim değeri 500 V seviyesine düşmektedir. Şekil 6.b’de

akım zaman grafiği verilmiştir. 1. yük devrede iken akım değeri 50 A’in altında iken,

2. yük devreye girdiğinde akım 50 A seviyesine çıktığı görülmektedir. Şekil 6.c’de

ise güç zaman grafiği görülmektedir. Burada 2. yük devreye girdiğinde gerekli

anahtarlamanın yapıldığı ve bunun sonucunda çekilen gücün arttığı görülmektedir.

5. SONUÇLAR VE ÖNERİLER

Son yıllarda elektrik enerjisi üretim alanında alternatif, çevre dostu yeni enerji

kaynakları ile enerji üretimi önem kazanmıştır. Güneş ve rüzgâr temel alternatif

enerji kaynaklarındandır. Bu enerji kaynaklarının maksimum güç noktasında

çalıştırılması ile mevcut yatırım en verimli hale getirilmiş olur. Bu çalışmada güneş

ve rüzgâr enerjilerinin birlikte kullanıldığı hibrit bir sistem için yükselten konvertör

simülasyonu Matlab/Simulink kullanılarak yapılmıştır. Böylece iki farklı kaynaktan

elde edilen farklı seviyedeki DA gerilimler aynı DA barada birleştirilerek ortak bir

yük beslenmiştir. Hibrit enerji üretilen sistemdeki kaynak sayısı değişiklik

gösterebilecek ve hidrojen gibi kaynaklar hibrit sistem içinde yer alacaktır.

6. TEŞEKKÜR

Yazarlar, bu çalışmaya, proje kapsamında destek veren Gazi Üniversitesi Bilimsel Araştırma Fonu ve Devlet Planlama Teşkilatı’na teşekkür ederler.

7. KAYNAKLAR

1. Çelik A.N., “A statistical analysis of wind power density based on the Weibull and Rayleigh models at the southern region of Turkey”, Renewable Energy, 2003, Page(s); 593-604.

2. Çolak İ., Bayındır R. Sefa İ. and Demirtaş M., “Design of a Hybrid Energy Power System Using Solar and Wind Energy”, 2nd International Conference on Technical and Phsical Problems in Power Engineering, 2004, Page(s):776-778 September, Tebriz-Iran.


177

3. Ho B.M.T., Henry Shu-Hung C., “An integrated inverter with maximum power tracking for grid-connected PV systems”, Power Electronics, IEEE Transactions on Volume 20, Issue 4, July 2005 Page(s):953 – 962

4. Koutroulis E., Kalaitzakis K., Voulgaris N.C., “Development of a Microcontroller-Based, Photovoltaic Maximum Power Point Tracking Control System”, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 16, No: 1, Jan 2001 2, Page(s):46 – 54.

5. Yaoqin J., Zhongqing Y., Binggang C., “A New Maximum Power Point Tracking Scheme for Wind Generation”, Power System Technology, 2002. PowerCon2002, International Conference on Vol 1., Oct 2002, Page(s):144 – 148.

6. Morimoto S., Nakayama H., Sanada M., Takeda Y., “Sensorless Output Maximization Control for Variable-Speed Wind Generation System Using IPMSG”, IEEE Transactions on Industry Application, Vol. 41, Jan-Feb 2005 2, Page(s):60 – 67.

7. Schmitt, W., “Modeling and simulation of photovoltaic hybrid energy systems-optimization of sizing and control”, Photovoltaic Specialists Conference, 2002. Conference Record of the Twenty-Ninth IEEE 19-24 May 2002 Page(s):1656 - 1659

EK-6. (Devam) Çolak İ., Sefa İ., Bayındır R., Demirbaş Ş., Demirtaş M., “Güneş Pillerinin Elektrik Enerjisi Üretiminde Kullanımı” VI. Ulusal

Temiz Enerji Sempozyumu, Isparta, Süleyman Demirel Üniversitesi, 84-92, (2006).

178

GÜNEŞ PİLLERİNİN ELEKTRİK ENERJİSİ ÜRETİMİNDE

KULLANIMI

İlhami ÇOLAK İbrahim SEFA Ramazan BAYINDIR

Şevki DEMİRBAŞ Mehmet DEMİRTAŞ

GEMEC, Gazi Elektrik Makinaları ve Enerji Kontrol Grubu,


[email protected] [email protected] [email protected] [email protected] [email protected]

ÖZET

Son yıllarda elektrik enerjisi üretim alanında yenilenebilir çevre dostu yeni enerji kaynakları ile enerji üretimi çok büyük önem kazanmıştır. Temel alternatif enerji kaynakları güneş, rüzgâr ve jeotermallerdir. Bu alanda enerji üretimi için güneşte büyük kapasitenin olduğu tespit edilmiştir. Elektrik enerjisi direkt olarak güneş pilleri yardımıyla güneşten sağlanabilir. Elektrik enerjisi üretimi güneş hücrelerine gelen ışık miktarına, sıcaklığa ve hücre yapısına bağlı olduğu için, güneş hücrelerinin çalışması, elektriksel karakteristiği ve eşdeğer devresinin bilinmesi maksimum verim için zorunludur. Bu makalede, güneş enerji sistemleri alanında çalışan araştırmacılar için güneş pillerinin temel özellikleri açıklanmıştır.

Anahtar Kelimeler: Güneş enerjisi, yenilenebilir enerji, güneş pili, güneş pili eşdeğer devresi.

ABSTRACT

Recent years, productions of electric energy with clean and alternative energy source have been more importance, due to increasing of energy consumption and environmental reasons. The main alternative energy sources are solar, wind and geothermal. In this area, the sun is the largest energy source. Electric energy is directly obtained from sun by means of solar cell. Since the energy supplied by solar cells depends upon the insolation, temperature and cell voltage, it is necessary to know the generating principles, the electrical characteristics and the equivalent circuit of solar cell for the maximum efficiency. The aim of this paper is to clarify the main specification of solar cell for researchers working in this field.

Key Words: Solar energy, renewable energy, solar cell, solar cell equivalent circuit.



179

1. GİRİŞ

Güneş dünyamızın enerji kaynağıdır. İklimlerin oluşumundan bitkilerin enerji

ihtiyaçlarına kadar tüm dünyanın, ihtiyacı olan güneş enerjisinin %95’ni gözükür ışık

yoluyla almasını sağlar. Ultraviyole ve infrared ışıkta güneş spektrumu içindedir. Her

ne kadar çok büyük yıldızlar da enerjilerini X-rays ve radyo sinyalleri şeklinde

gönderseler de, bu miktar güneşin gönderdiği miktardan çok çok küçüktür. Işık

tayfında güneş radyasyonunun gösterimi Şekil 1’de verilmiştir. Şekilde güneşten

dünyamıza gelen ışığın sayısal olarak dalga boyu, frekans ve foton enerjileri

verilmiştir. Dalga boyunda görünen ışığın sol tarafı ultraviyole, sağ tarafı ise infrared

ışıktır [1].

10 -9 10 -5 10 -410 -8 10 -7

10 13 10 1210 1510 1610 17

10 -210 -110 110 210 3

Görünen

Dalgaboyu (m)

Ultraviyole İnfrared

Frekans (Hz)

Foton Enerjisi (eV)

Güneş Radyasyonu

mavi

sarı

kırmızı

Şekill 1. Işık tayfı

Güneş, radyasyon enerjisini 2x10-7 ile 4x10-6 metre dalga uzunluğu arasında

dünyamıza ulaştırır. Bu dalga uzunlukları da Şekil 1’den görüldüğü gibi görünen ışık

dalga boylarına çok yakındır. Her dalga boyu bir frekansa ve enerjiye tekabül eder.

Dalga boyu küçüldükçe frekans ve elektron volt (eV) cinsinden enerji artar.

Spektrumun her bölümü değişik enerji seviyesine sahiptir. Mesela, kırmızı renk en az

enerji seviyesine sahipken, mor renk en fazla enerjiye sahiptir. Görünmez taraftaki

mor ötesi ışınlar daha fazla photon enerjisine sahip olduklarından, insan derisi



180

üzerinde yanıklara sebep olurlar. Öte yandan kırmızı kısım sıcaklık olarak hissedilir

[2].

Işığın bir yerden başka bir yere gitmesi dalgayla karakterize edilir. Dalga boyu ne

kadar büyürse enerjisi o kadar küçük demektir. Her saniye, güneş çok büyük

boyutlarda enerjiyi sistemine serbest bırakır. Dünya bu enerjinin çok küçük bir

bölümünü alır. Ortalama olarak 1367 Watt/m2 ışık enerjisi atmosferin en üst

katmanına isabet eder. Atmosfer X-rays ve mor ötesi ışınları süzerek toprağa iletir.

Bu halde dahi her dakikada gelen güneş enerjisi insanların sarf ettiği enerjiden

fazladır. Şekil 2’de güneş ışığının atmosferde yayılımı verilmiştir [1].

Şekil 2. Güneş ışığı yayılımı

Dünya atmosferi ve bulutlar ışık enerjisinin bir kısmını emerler, bir kısmını

yansıtırlar. Geriye kalan enerji toprağa erişir. Daha sonra bu enerji fotovoltaik

(photovoltaic: PV) sistemler tarafından elektrik enerjisine çevrilir.

• Güneş pilleri (fotovoltaik piller), yüzeylerine gelen güneş ışığını doğrudan

elektrik enerjisine dönüştüren yarıiletken maddelerdir. Yüzeyleri kare,

dikdörtgen, daire şeklinde biçimlendirilen güneş pillerinin alanları genellikle

100 cm² civarında, kalınlıkları ise 0,2-0,4 mm arasındadır.

• Güneş pilleri fotovoltaik ilkeye dayalı olarak çalışırlar, yani üzerlerine ışık

düştüğü zaman uçlarında elektrik gerilimi oluşur. Pilin verdiği elektrik

enerjisinin kaynağı, yüzeyine gelen güneş enerjisidir.



181

• Güneş enerjisi, güneş pilinin yapısına bağlı olarak % 5 ile % 20 arasında bir

verimle elektrik enerjisine çevrilebilir.

• Güç çıkışını artırmak amacıyla çok sayıda güneş pili birbirine paralel yada

seri bağlanarak bir yüzey üzerine monte edilir, bu yapıya güneş pili modülü

ya da fotovoltaik modül adı verilir. Güç talebine bağlı olarak modüller

birbirlerine seri ya da paralel bağlanarak bir kaç Watt’tan megaWatt'lara

kadar sistem oluşturulur.

2. IŞIK ENERJİSİNİ ELEKTRİK ENERJİSİNE ÇEVİRME

PV modüller, ışık enerjisini elektrik enerjisine çevirir. "Photo-Voltaic" diğer bir

anlamda "Işık-Elektriği"’dir. Güneş hücreleri PV modülleri oluştururlar. Saatlerdeki

ve hesap makinelerindeki enerji üretenler işte bu güneş hücreleridir. Ev

aydınlatılmasında, sulamada, havalandırmada kullanılan PV’ler biraz daha karışık ve

teknik isteyen türlerdendir.

Güneş ışığı, "photon" olarak adlandırılan güneş enerjisini oluşturan partiküllerle

birliktedir. Bu photonlar değişik ışık dalga boylarında farklı enerjiye sahiptir.

Photonlar PV modüle çarptığında, bir kısmı yansır, bir kısmı PV modül tarafından

emilir, bir kısmı da PV modülünü geçer. Sadece PV modül tarafından emilen

photonlardan elektrik üretilir. Emilen photonların enerjisi PV modüldeki elementin

elektronuna transfer olur.

Fotovoltaik bir pilin kesit şekli ve elektrik enerjisinin oluşumu Şekil 3’te verilmiştir

[1]. Elektronlar kazandıkları enerjiyle mevcut yerlerinden ayrılır ve elektrik devresini

oluştururlar. Elektronların bu yer değiştirmesinden dolayı boşluklar oluşur. Böylece

PV modülde elektrik alanı oluşturur. Oluşan gerilim lambanın aydınlanmasını sağlar.

Sonuçta tüm güneş ışığının %55'i elektrik enerjisine dönüşebilir.



182

Şekil 3. Fotovoltaik bir pilin kesiti

3. GÜNEŞ HÜCRESİNİN YAPISI

Güneş hücresinin en önemli parçası yarı-iletken katmanıdır, çünkü elektron akımı

burada oluşur. Bu yarı-iletken tabakayı oluşturan birçok element vardır, ancak bu

elementlerin PV modülü oluşturmaları için artı ve eksileri vardır, ideali yoktur.

Hücrelerin oluşumu ve hücrelerin üstündeki katmanları gösteren, Şekil 4’den

görüldüğü gibi, hücrelerden elde edilen enerji elektrik miktarının ölçüsü olamaz.

Foton etkilenmesinden serbest kalan her elektron P tipi yarı-yalıtkan maddedeki

delikleri doldurma konumuna geçer. Bu olay pozitif elektrik yükünü P tipi maddenin

temas yüzeyinde, negatif elektrik yükünü de N tipi maddenin temas yüzeyinde

toplanmasına neden olur ve güneş pillerinin bir üreteç gibi davranmasını sağlar.

Güneş pillerinin iki kutbu bir iletkenle birleştirildiği zaman birleştirilen iletkenden

bir elektrik akımının geçtiği görülür. Hücrelerin üstüne ve altına konulan kontak

levhaları, üstünü örten cam veya plastiğin özellikleri de verimliliği etkiler [3].



183

Şekil 4. PV Panelin katmanları

3.1. IŞIK BANT ARALIĞI

Güneş ışığındaki photon PV modüle geldiğinde, sadece bir kısım enerji elektronları

açığa çıkartabilir. Bu seviyedeki enerjiye bant aralığı enerjisi denir. Bu enerji aralığı

elementin kovalent bağından elektronu ayırabilir. Ayrılan elektron elektrik devresini

oluşturur. Işıktaki photonların bu enerjisine photon-enerjisi denir. Bu enerji en az

band aralığı enerjisi kadar olmalıdır ki, elektronları açığa çıkarsın. Photon enerjisinin

bant aralığı enerjisinden fazla olan kısmı elektronları serbeste çıkarken ısı oluşturur.

Burada en önemli olay yarı-iletken malzemenin moleküler yapısının ayarlanmasıdır.

Yani bant aralığı enerjisinin alabildiği en fazla photon enerjisini verebilmektir.

PV yarı-iletkenlerin band-aralığı enerjisi 1.0 ile 1.6 eV arasıdır. Bu enerji

elektronların ışınmadan açığa çıkabileceği enerji miktarıdır. Panellerde kullanılan

malzeme türüne göre elde edilen enerji değişimi Şekil 5’de verilmiştir [1]. Burada

Silikon kristalinin band aralığı enerjisi 1.1 eV, galyum arsenit kristalinin enerjisi 1.43

eV ve alüminyum galyum arsenit kristallerin band aralığı enerjisi ise 1.7 eV’tur.



184

Güneş Işığı

Silikon> 1,1 eVsoğurur

Galyum arsenit> 1,43 eVsoğurur

Aliminyum galyum arsenit

> 1,7 eVsoğurur

<1,1 eV <1,7 eV<1,43 eV

Şekil 5. Panelin türüne göre elde edilen enerji

Değişik dalga boylarındaki ışık photon enerjileri de eV birimi ile ölçülür. Güneş

spectrumu, infrared-ultraviole arasında 0.5 eV ile 2.9 eV arasındadır. Kırmızı ışık 1.7

eV, mavi ışık 2.7 eV enerjiye sahiptir. Güneş ışığının %55'i kullanılamaz, çünkü

photon enerjisi band-aralığı enerjisinin ya altındadır, yani elektronları serbestte

çıkaracak enerjiye sahip değildir, yada üstündedir, bu da ışınmaya sebep olur [4].

4. HÜCRELERDEN MODÜLER SİSTEMLERİN OLUŞTURULMASI

PV modüllerin en küçüğü hücredir. Bir hücreli PV sistemler 1 ile 2 Watt arasında

enerji üretirler. Birçok hücreyi birleştirip daha fazla enerji üretebilecek modüler

sistemler oluşturabilir.

Modüler sistemler yan yana bağlanarak diziler elde edilir. Modüllerin değişik

bağlantılarıyla oluşturulan dizilerden daha büyük enerjiler üretilebilmektedir. PV

modüllerin panel yapıları Şekil 6’da verilmiştir. Burada her hücre 1-2 Watt

değerindedir. Hücrelerin bir araya getirildiği modüllerin güçleri ise 160 Watt’a kadar

çıkmaktadır [5].



185

Şekil 6. PV panel

4.1 GÜNEŞ PİLLERİNİN ELEKTRİKSEL ÖZELLİKLERİ

Basitleştirilmiş eşdeğer devrede verildiği gibi güneş pilleri lineer olmayan bir yapıya

sahiptir. Şekil 7’de güneş pili bir akım kaynağı olarak modellenmiştir.

IqRoD Rsh

Rs

Vo

Io

Şekil 7. Güneş pili elektriksel eşdeğer devresi



186

Güneş pilinin Rsh şönt direnci ihmal edilirse I-V karakteristiği Eşitlik 1’de verildiği

gibidir.

−

+−= 1)RIV(

AKT

qexpIII Soosatqo (1)

Burada, Iq ışık tarafından üretilen akım, Isat güneş pilinin ters doyum akımı, q

elektronik şarj, A boyut faktörü, K Boltzmann sabiti, T Sıcaklık, Rs güneş pilinin seri

direnci, Io çıkış akımı, Ro yük direnci, Vo çıkış gerilimidir. Literatürde Eşitlik 1’de

verilen I-V karakteristiği yerine birçok durumda V-I karakteristiği kullanılır.

+−+−=

sat

satoq

SooI

IIIln.

q

AKTRIV (2)

Eşitlik 1, Şekil 8’deki verilen güneş pilinin çıkış karakteristiğine ait benzetim

sonuçları elde etmek için kullanılmıştır [6]. Burada güneş pilinin karakteristiğinin

lineer olmayan bir yapıya sahip olduğu görülmektedir. Güneş pilinin çıkış

karakteristiği güneş ışınlarının durumu, sıcaklık ve yük koşullarından

etkilenmektedir. Her bir eğri güneş pilinin en yüksek verimi için en iyi çalışma

noktası olan maksimum güç noktasına sahiptir. Sıcaklık yükseldiği zaman açık devre

gerilimi ve maksimum güç yavaşça düşmektedir.

Şekil 8a’da birim cm2’ye karşılık üretilen enerji miktarına bağlı olarak panellerin

akım ve gerilimleri karşılaştırılmaktadır. Farklı güçlerdeki panellerin maksimum güç

noktaları da farklı olmaktadır. Şekil 8b’de ise solar panel için farklı sıcaklık

değerlerinde akım ve gerilim değerleri karşılaştırılmaktadır. Panel sıcaklığı arttıkça,

üretilen gerilim düşmekte ve maksimum güç noktası da değişmektedir.

Şekil 8c ’de ise panel sıcaklığı arttıkça, panelin açık devre gerilim değeri ve

maksimum güç noktası düşmekte, ancak kısa devre akımının çok az bir artış

gösterdiği görülmektedir [7].



187

Pan

el A

kım

ı (P

.U)

Panel Gerilimi (P.U)

Pmax

0.7

0.5

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.6

0.8

0.9

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

1.2

1.4

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

P

100mw/cm2

80mw/cm2

60mw/cm2

Panel Ç

ıkış Gücü (P

.U)

(a)

Pan

el A

kım

ı (P

.U)

Panel Gerilimi (P.U)

Pmax

0.7

0.5

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.6

0.8

0.9

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

1.2

1.4

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

P

70oC

Panel Ç

ıkış Gücü

(P.U

)

50oC30oC

(b)

Bağ

ıl T

epki

(%

)

Panel Sıcaklığı (oC)

Pmax

1.1

0.9

0

0.5

0.6

0.7

0.8

1.0

1.2

1.3

-60 -40 -20 0 20 40 60 80 100

Isc

1.4

Voc

(c)

Şekil 8. Solar panellerin çıkış karakteristikleri

5. SONUÇ VE DEĞERLENDİRME

Günümüzde artan enerji ihtiyacı, mevcut enerji kaynaklarının sınırlı olması ve

çevreyi kirletmesi araştırmaları yeni ve temiz enerji kaynaklarına yöneltmiştir. Temiz

enerji kaynağı olarak kullanılan güneş enerjisi ve bu enerjinin üretilmesinde

kullanılan güneş pilleri hakkında bilinmesi gereken temel bilgiler bu çalışma ile

verilmeye çalışılmıştır. Verilen bilgiler ile kullanım aşamasında kullanıcıların güneş

pilini daha etkin ve verimli bir şekilde kullanmaları amaçlanmıştır.



188

6. TEŞEKKÜR

Yazarlar, bu çalışmaya, proje kapsamında destek veren Gazi Üniversitesi Bilimsel

Araştırma Fonu ve Devlet Planlama Teşkilatı’na teşekkür ederler.

7. KAYNAKLAR

1. http://www.orjinsolar.com

2. Luque A., Hegedus S., “Handbook of Photovoltaic Science and Engineering”,

Wiley, 2005.

3. Haktanır D., “Güneş Enerjisinin Enerji Ağırlığı Nedir?”, Emobilim, Cilt 2, Sayı

4, sayfa: 6-13, Lefkoşa, 2002.

4. Cruz Martins D., Demonti R., Barbi I., “Usage of the solar energy from the

photovoltaic panels for the generation of electrical energy”, Telecommunications

Energy Conference, INTELEC’99, 6-9 June 1999.

5. Andreev V., Ionova E., Rumyantsev V., Sadchikov N., Shvarts M.,

“Concentrator PV modules of "all-glass" design with modified structure”,

Photovoltaic Energy Conversion, 2003. Proceedings of 3rd World Conference on

Volume 1, 11-18 May 2003 Page(s):873 - 876 Vol.1.

6. Chihchiang H., Chihming S.,” Study of maximum power tracking techniques and

control of DC/DC converters for photovoltaic power system”, Power Electronics

Specialists Conference, 1998. PESC 98 Record. 29th Annual IEEE, Page(s):86– 93,

Volume 1, 17-22 May 1998.

7. Chihchiang H., Chihming S., “Control of DC/DC converters for solar energy

system with maximum power tracking”, Industrial Electronics, Control and

Instrumentation, 1997. IECON 97. 23rd International Conference on Volume 2,

Page(s):827-832, 9-14 Nov. 1997.

189

ÖZGEÇMİŞ

Kişisel Bilgiler

Soyadı, Adı : DEMİRTAŞ, Mehmet

Uyruğu : T.C.

Doğum tarihi ve yeri : 18.07.1975 Üsküdar/İSTANBUL

Medeni hali : Evli

Telefon : 0 (312) 202 85 43

Faks : 0 (312) 212 00 59

e-mail : [email protected]

Eğitim

Derece Eğitim Birimi Mezuniyet tarihi

Yüksek lisans Gazi Üniversitesi /Elektrik Eğitimi Bölümü 2000

Lisans Gazi Üniversitesi/ Elektrik Eğitimi Bölümü 1997

Lise Atatürk Teknik ve Endüstri Meslek Lisesi 1993

İş Deneyimi

Yıl Yer Görev

1998-1999 H.Hüseyin Arıkan Ç.P.L. Elektrik Öğretmeni

1999- Gazi Üniversitesi Araştırma Görevlisi

Yabancı Dil

İngilizce

Yayınlar

1. Demirtaş M., " Bilgisayar Kontrollü Güneş Takip Sisteminin Tasarımı ve

Uygulaması", Politeknik Dergisi, 9 (4): 247-253 (2006).

190

2. Çolak İ., Sefa İ., Bayındır R., Demirtaş M., “Güneş Enerjili Yüksek Güçlü Led

Armatür Tasarımı”, Politeknik Dergisi, 10 (4): 347-352 (2007).

3. Çolak İ., Üçtaşlı M.B., Demirtaş M., "Design of wear testing machine which

simulates occlusal wear", 7th Congress of the Balkan Stomatological Society,

Kuşadası-Turkey, , 28-33 (2002).

4. Çolak İ., Bayındır R. Sefa İ. and Demirtaş M., “Design of a Hybrid Energy

Power System Using Solar and Wind Energy”, 2nd International Conference

on Technical and Phsical Problems in Power Engineering, Tebriz-Iran, 776-

778, (2004).

5. Çolak İ., Bayındır R., Sefa İ., Demirbaş Ş., Demirtaş M., "Güneş Takip Sistemi

Tasarım ve Uygulaması", 1. Enerji Verimliliği ve Kalite Sempozyumu,

TMMOB Elektrik Mühendisleri Odası Kocaeli Şubesi, 301-305 (2005).

6. Çolak İ., Sefa İ., And Bayındır R., Demirbaş Ş., Demirtaş M., “Hibrit Enerji

Sistemleri İçin Paralel Çalışabilen Boost Konvertör Simülasyonu” VI. Ulusal

Temiz Enerji Sempozyumu, Isparta, Süleyman Demirel Üniversitesi, 725-734,

(2006).

7. Çolak İ., Sefa İ., and Bayındır R., Demirbaş Ş., Demirtaş M., “Güneş Pillerinin

Elektrik Enerjisi Üretiminde Kullanımı” VI. Ulusal Temiz Enerji

Sempozyumu, Isparta, Süleyman Demirel Üniversitesi, 84-92, (2006).

8. Demirtaş M., İçgül C.B., Öcal Z., “Elektrik Makinelerinin Eğitim Amaçlı Üç

Boyutlu Simülasyonları”, Ulusal Teknik Eğitim, Mühendislik ve Eğitim

Bilimleri Genç Araştırmacılar Sempozyumu, Kocaeli Ünivrsitesi Teknik

Eğitim Fakültesi, vol.1,180-183, (2007).

191

Tamamladığı Projeler

• 1999-2000 yılları arasında Gazi Üniversitesi Araştırma Fonunca desteklenen

"Rotoru sargılı asenkron motorun hız kontrolünün data acquisition kart

kullanarak yapılması" konulu projeyi tamamlamıştır. (İ. ÇOLAK, M.

DEMİRTAŞ) No: 07/2000-12, 2000.

• 2001-2002 yılları arasında Gazi Üniversitesi Araştırma Fonunca desteklenen

"Dental materyaller için abrasion test cihazının geliştirilmesi" konulu proje

çalışması tamamlanmıştır. (M. ÜÇTAŞLI, İ. ÇOLAK, M. DEMİRTAŞ). No:

03/2001-12, 2002.

• 2004-2006 yılları arasında (BAP) Gazi Üniversitesi Araştırma Fonunca

desteklenen "Endüktif Yükler için Güneş Pili Kaynaklı İnverter Tasarım ve

Uygulaması” konulu proje çalışması devam ediyor. (İ. ÇOLAK, M.

DEMİRTAŞ). No: 35-2004/01.

• 2005-2006 DPT Projesi: Güneş ve Rüzgar Enerjisi Kullanılarak Şebeke İle

Paralel Çalışabilen Hibrit Enerji Santrali Tasarımı ve Uygulaması. No:2003K

120470-30

Hobiler

Bilgisayar, Güç elektroniği sistemleri, Mikroişlemciler, Otomobiller.

Documents

HİBRİT ENERJİ SANTRALİ TASARIMI