güneş paneli sistemlerinin tasarımı

  • Published on
    09-Dec-2016

  • View
    218

  • Download
    4

Embed Size (px)

Transcript

  • 98 elektrik mhendislii, 439. say, temmuz 2010 elektrik mhendislii, 439. say, temmuz 2010 99

    Fosil kaynaklarn hzl bir ekilde tkenmesiyle; yakn gelecekte gne, rzgr, dalga, bioktle, jeotermal, hidrolik ve hidrojen enerjisi gibi yenilenebilir enerji kaynaklarnn kullanm byk bir nem kazanacak-tr. Gne enerjisi kullanarak enerji retilmesi yenilenebilir enerji kayna uygulamalarndan en popler olan-dr. Gne kollektrleri, fotovoltaik hcreler ve gne bacas uygulama-lar kayna gne olan enerji retme yntemlerindendir. Bu almada, uygulama alan her geen gn artan fotovoltaik hcrelerle elektrik enerjisi

    GNE PANEL SSTEMLERNN TASARIMI

    Tahsin Krolu, Ahmet Teke, K. aatay Bayndr, Mehmet Tmayukurova niversitesi Elektrik Elektronik Mhendislii Blm

    de mmkn olabilmektedir. Rzgr, deniz dalgas, okyanusta scaklk fark ve bioktle enerjileri, gne enerjisinin deiim geirmi biimleridir. Gne enerjisi, doadaki su dngsnn gereklemesinde de rol oynayarak, akarsu gcn oluturmaktadr. Doal enerji kaynaklarnn pek ounun k-keni olan gne enerjisinden, stma ve elektrik elde etme gibi amalarla dorudan yararlanlmaktadr [1].

    Gne enerjisi evre asndan temiz bir kaynak zellii tadndan fosil yaktlara alternatif olmaktadr. Yeryz-ne her yl den gne snm enerjisi, yeryznde imdiye kadar belirlenmi olan fosil yakt haznelerinin yaklak 160 kat kadardr. Ayrca yeryznde fosil, nkleer ve hidroelektrik tesis-lerinin bir ylda retecei enerjiden 15.000 kat kadar daha fazladr [1]. Ayrca, gne enerjisi hem bol, hem srekli ve yenilenebilir hem de beda-va bir enerji kaynadr. Bunlarn yan sra geleneksel yaktlarn kullanmn-dan kaynaklanan evresel sorunlarn ounun gne enerjisi retiminde bulunmay bu enerji trn temiz ve evre dostu bir enerji yapmaktadr [1]. Yakt sorununun olmamas, iletme kolayl, mekanik ypranma olmama-s, modler olmas, ok ksa zamanda devreye alnabilmesi (azami bir yl), uzun yllar sorunsuz olarak almas ve temiz bir enerji kayna olmas gibi nedenlerle dnya genelinde fotovol-taik elektrik enerjisi kullanm srekli artmaktadr [1]. Gne pilleri, halen ancak elektrik ebekesinin olmad,

    reten sistemlerin tasarm detayl olarak sunulmutur. Yk ihtiyacna en uygun donanmlar seilerek; en verimli ve en ekonomik sistemin kurulabilme-si iin gerekli detaylar ayrntl olarak anlatlmtr.

    1. Giri

    Dnyann en nemli enerji kayna gnetir. Gnein snm enerjisi, yer ve atmosfer sistemindeki fiziksel oluumlar etkileyen balca enerji kaynadr. Dnyadaki madde ve enerji aklar gne enerjisi sayesin-

  • 98 elektrik mhendislii, 439. say, temmuz 2010 elektrik mhendislii, 439. say, temmuz 2010 99

    yerleim yerlerinden uzak yerlerde, je-neratre yakt tamann zor ve pahal olduu durumlarda ekonomik ynden uygun olarak kullanlabilmektedir. Bu nedenle genellikle sinyalizasyon ve krsal elektrik ihtiyacnn karlanmas gibi uygulamalarda kullanlmaktadr [2]. lkemizde ounluu Orman Bakanlnn gzetleme kuleleri, Trk Telekom, deniz fenerleri ve otoyol aydnlatmasnda, Elektrik leri Ett daresi Genel Mdrl, Mula ni-versitesi, Ege niversitesi gibi kamu kurulularnda olmak zere kk glerin karlanmas ve aratrma amal kullanlan gne pili kurulu gc 1 MWa ulamtr [3].

    Gne enerjisi teknolojisinin neminin gn getike artmas bu almann gerekletirilmesinin ana nedeni olup, yaplan literatr aratrmalarnda lkemizde gne panel sistemleri ve bileenlerine ait detayl bilginin sunul-madnn grlmesi ve bu sistemlerin

    tasarm ile ilgili herhangi bir almann bulunmamas almay gerekletir-menin dier nemli nedenlerindendir. Bu almada ebekeden bamsz bir gne paneli sisteminde yer almas ge-reken bileenler hakknda detayl bilgi sunularak ve bu bileenlerin seiminde dikkat edilmesi gereken unsurlar tar-tlmtr. Ayrca, yk ihtiyac gnlk ortalama 5 kW-saat olan bir ev iin rnek bir tasarm yaplarak kurulum maliyeti hesaplanmtr.

    2. Sistem Bileenleri

    Gne pili modlleri uygulamaya bal olarak, akmlatr, evirici (invertrler), ak arj denetim aygtlar ve eitli elektronik destek devreleri ile birlikte kullanlarak bir gne pili sistemi (foto-voltaik sistem) oluturur [4]. Bu sistem-lerde yeterli sayda gne pili modl, enerji kayna olarak kullanlr. Gne-in yetersiz olduu zamanlarda ya da

    zellikle gece sresince kullanlmak zere genellikle sistemde akmlatr bulundurulur. Gne pili modlleri gn boyunca elektrik enerjisi reterek bunu akmlatrde depolar ve yke gerekli olan enerji akmlatrden alnr. Ak-nn ar arj ve dearj olarak zarar grmesini engellemek iin kullanlan denetim birimi (arj reglatr) ise ak-nn durumuna gre, ya gne pillerin-den gelen akm ya da ykn ektii akm keser. ebeke uyumlu alternatif akm elektriinin gerekli olduu uygu-lamalarda, sisteme bir evirici (invertr) eklenerek akmlatrdeki DC gerilim, 220 V-50 Hzlik sins dalgasna dn-trlr. Benzer ekilde, uygulamann ekline gre eitli elektronik devreler sisteme entegre edilebilir. Baz sis-temlerde, gne pillerinin maksimum g noktasnda almasn salayan maksimum g noktas izleyici cihaz bulunur [4]. Sistemin temel elemanlar aadaki ekil-1de grlmektedir.

    ebeke balantl gne pili sistem-leri yksek gte sistemler eklinde olabilecei gibi daha ok grlen uygulamas binalarda kk gl kullanm eklindedir. Bu sistemlerde rnein bir konutun elektrik gereksi-nimi karlanrken, retilen fazla enerji elektrik ebekesine satlabilir ve yeterli enerjinin retilmedii durumlarda ise ebekeden enerji alnabilir. Byle bir sistemde enerji depolamas yapmaya gerek yoktur, yalnzca retilen DC elektriin, AC elektrie evrilmesi ve ebeke uyumlu olmas yeterlidir [4].

    Bir evin gnlk elektrik tketimi kW-saat cinsinden hesaplanmaktadr. Evlerde kullanlan gnlk ortalama enerji tketimi deiim gstermektedir. Gnlk elektrik tketimi aylk elektrik faturasndaki tketim miktarndan yola karak kW-saat cinsinden hesapla-nabilir. Evlerde kullanlan her cihazn tkettii g bellidir. rnein, 10 adet 100 Wlk lamba seti saatte 1 kW-saatlik bir tketim yapacaktr. Fotovoltaik pa-nellerin de saatlik retim miktar ayn ekildedir. rnein, 8 adet 130 Wlk kapasiteye sahip panel saatte 1040 W-saatlik bir retim yapacaktr.

    ebeke balantl gne pili sistem-leri yksek gte sistemler eklinde olabilecei gibi daha ok grlen uygulamas binalarda kk gl kullanm eklindedir. Bu sistemlerde rnein bir konutun elektrik gereksi-nimi karlanrken, retilen fazla enerji elektrik ebekesine satlabilir ve yeterli enerjinin retilmedii durumlarda ise ebekeden enerji alnabilir. Byle bir sistemde enerji depolamas yapmaya gerek yoktur, yalnzca retilen DC elektriin, AC elektrie evrilmesi ve ebeke uyumlu olmas yeterlidir [4].

    Bir evin gnlk elektrik tketimi kW-saat cinsinden hesaplanmaktadr. Evlerde kullanlan gnlk ortalama enerji tketimi deiim gstermektedir. Gnlk elektrik tketimi aylk elektrik faturasndaki tketim miktarndan yola karak kW-saat cinsinden hesapla-nabilir. Evlerde kullanlan her cihazn tkettii g bellidir. rnein, 10 adet 100 Wlk lamba seti saatte 1 kW-saatlik bir tketim yapacaktr. Fotovoltaik pa-nellerin de saatlik retim miktar ayn ekildedir. rnein, 8 adet 130 Wlk kapasiteye sahip panel saatte 1040 W-saatlekil 1. Gne panel sistemini oluturan temel donanmlar

  • 100 elektrik mhendislii, 439. say, temmuz 2010 elektrik mhendislii, 439. say, temmuz 2010 101

    2.1 Fotovoltaik (Gne) Paneller

    Gne nlarn elektrik enerjisine eviren ve sistemin ana eleman olan ekipmandr. 1950ler de %4 olan verim-leri gnmzde %15 civarna gelmitir. Verimleri gnein 1000 W/m2 enerji yayd blgeye gre hesaplanmak-tadr fakat Trkiyede bu deer 1300 W/m2 olduundan verimleri daha iyi deerler almaktadr. 1 m2 alanda ka-yplar ihmal edilirse 195 Watt elektrik retilebilir [3].

    Trkiye artlarnda gnelenme sresinin kn 5 saat, sonbaharda 7 saat ve yazn 11 saat olduunu gz nnde bulundurulursa (llerin aylara gre son 20 yln ortalamasn [5] te sunulmaktadr); gnlk ortalama yk ihtiyac 5 kW-saat olan bir ev iin; or-talama gnelenme sresinin 6 saat olduunu varsaylrsa saatlik 1 kWlk retim yapan bir gne paneli sistemi tasarlanmas evin enerji ihtiyacn kar-layacaktr. Paneller ancak optimum artlarda optimum glerini verebi-lirler [6]. Panelin camnn kirlenmesi, gne nlarnn sabah ve akam dik ayla gelmemesi, havann ok scak ve ok souk olup verimin dmesi gibi nedenlerden tr 1 kW lk panel gnlk 5 kW-saatlik ihtiyac rahatlkla karlayacaktr.

    Tasarlanacak sistem kn 5 saatlik gnelenme sresinde gnlk 5 kW-saat elektrik retirken, baharda gnlk 7 kW-saat, yazn 11 kW-saat elektrik retimimiz sz konusu olabilecektir. Bylelikle baharda ve yazda kn n-ceden belirlenmeyen dier alanlarda elektrik kullanma olana doacaktr. rnein, retilen bu fazla enerji, ay-dnlatma ve temel elemanlar dnda su stmada, yemek piirmede ve klimada kullanlabilecektir [6].

    Saatlik retilmesi gereken elektrik miktar 1 kW olarak belirlenmesinden sonra, panelin seilmesi gerekmekte-dir. Aratrmalar sonucunda piyasada maksimum 220 Wattlk paneller bulun-duu grlmtr [7]. 1 kW lk retimi karlamak amacyla tasarlanan sistem

    iin en az 6 adet 175 W nominal k gcnde paneller kullanlmas gerek-mektedir. Tasarmda Kyocera KC175 modeli kullanlmtr. Bu panellerin MPP (maksimum g noktas) geri-liminin 23.6 Volt, MPP akmnn 7.42 Amper, solar panel verimlerinin ise %15 olduu bilinmektedir. [8]

    Bir panelin boyu 1290 mm, eni de 990 mmdir. Alt adet panelin toplam yz lm 7.8 m2dir. Paneller eimi her kurulum noktas iin de 30 derecedir [8]. Bu panellerin piyasa fiyatnn, yurtiinde online sat yapan siteler aratrldnda yaklak 2,28 Avro/W olduu grlmtr. Yani 175 W nominal k gcndeki bir panel ortalama 400 Avroya alnabilir.

    2.2 Ak Grubu

    Akler retilen elektrik enerjisini de-polamaya yararlar. Genel olarak

    tiptir: Kuru (Flooded Lead Acid), AGM (Absorbed Glass Mat Sealed Lead Acid) ve GEL (Gelled Electrolyte Sea-led Lead Acid). Ancak kuru tip akler Fotovoltaik sistemlerde daha ok tercih edilmektedir. Aklerin kapasite-leri amper-saat (Ah) olarak ifade edilir. mrlerini uzun tutmak iin kapasitesi %50nin altnda iken arj edilmelidir. Verimleri %90 civarndadr [3].

    Gne olmasa bile pe pee gnesiz geecek gnlerde ihtiyacn karlaya-cak kadar ak kapasitesi gereklidir. 3 gn veya daha uzun sreyle arka arkaya gne olmamas ou blge-mizde nispeten ok nadir olduundan 3. gne de yetecek kadar fazla ak al-mak faydasna gre pahal bir yatrm-dr. Bunun yerine ebeke elektriinin olduu yerde 2 gn, olmad yerde 3 gnlk ihtiyacn depolayacak kadar ak kullanm uygun olacaktr. Bu da

  • 100 elektrik mhendislii, 439. say, temmuz 2010 elektrik mhendislii, 439. say, temmuz 2010 101

    gnlk tketimi 5 kW olan bir ev iin 10 kW karlayacak ak kapasitesi demektir. 12 V 1200 Ahlik ak grubu 12volt*1200 Amper-Saat =14.400 watt depolayabilir. Aklerde depolanann tamamn hatta %70inden fazlasn kul-lanmak aknn yapsn ksa zamanda bozmaktadr. Bu yzden 12 V 1200 Ah bir ak grubu tasarlanan sistemim iin ideal olacaktr [8].

    Kapasitesi belli ak hcreleri birbirine balanarak daha yksek kapasiteli bir ak grubu elde edilebilir. 12 V 1200 AHlk bir ak grubunun 6 adet 12 V 200 Ahlk aklerin paralel balanarak oluturulmas mmkndr. Paralel balama szcyle ifade edilen bu ilemde hcrelerin (+) kutuplar birbi-rine, (-) kutuplar da birbirine balanr. Yaplan i aslnda hcrelerin ayn cins plakalarn harici olarak birbirine balamaktr. Bu nedenle, elde edilen ak grubunun toplam kapasitesi, hcre kapasitesinin hcre adedi ile

    arpm kadar olacaktr. Buna karn ak grubunun gerilimi bir hcrenin gerilimi deerindedir. ekil 2de 12 V 200 Ah olan 6 hcrenin paralel balanarak 12 V 1200 AH kapasiteli bir ak grubunun nasl oluturulduu grlmektedir [9]. Piyasada 12V 200 Ah aklerin fiyatnn yaklak 283 Avro olduu grlmektedir.

    2.3 Ak arj Regltr

    Fotovoltaik panelden gelen akm d-zenleyerek akye iletilmesini salar. Aknn tam dolmasn ve ar kulla-nmlarda dearj (boalmasn) olmasn engeller [3]. Bir reglatr seerken dikkat edilmesi gereken en nemli parametre, reglatrn gerekli olan maksimum akma dayankl olmasdr. Seilen reglatrn, kullanlan batarya voltaj ile uyumlu olmasna da dikkat edilmelidir [10].

    arj reglatrleri kullanlacak sisteme gre 12V/24V/48V ve/veya 10A/20A/

    40A/ 60A gibi deerlerde deiir. arj reglatrleri ayn zamanda DC voltaj klar olduundan doru akmla alan cihazlara direk gerilim verirler. arj reglatrlerinin LCD gstergeli modelleri de mevcuttur. LCD gs-tergelide anlk ak ve panel akm, ak ve panel voltajn ve aknn arj durumunu gsterir [11]. Sisteme arj reglatr seerken maksimum akm gz nnde bulundurmak gerekir. Tablo 1de kullanlan sisteme uygun arj reglatr eitleri sunulmutur [12].

    Tasarlanan sistem saatlik 1 kW g reten ve 12 V nominal gerilim dee-rine sahip olduundan seilecek arj reglatr 12 V 60 A deerlerine sahip olmaldr ve piyasada 200 Avro gibi bir fiyata temin edilebilir.

    2.4 Evirici

    Panellerin rettii DC enerjiyi evlerde kullanlan AC enerjiye (220V-50 Hz) evirir. Tam sins zellii de amar makinesi, bulak makinesi ve buzdo-lab gibi endktif ykleri karlamak ve bozmamak iin gereklidir [6].

    nverterin gc ayn anda alacan dnlen cihazlarn anlk toplam g-cne gre seilmelidir. rnek vermek gerekirse 2 kW amar makinesi, 300 W televizyon ve 200 W lk lamba ayn anda altrlmak istenirse 2500 Wlk bir inverter seimi gerekecektir [6]. Kimi tasarmlarda inverter seimi saatlik retilen miktarla ayn yaplmak-tadr. rnein saatlik retim 1 kW ise inverter 1 kW gte alacak ekilde seilmitir. Ancak saatlik retim 1 kW olmasna ramen akde biriken gten yararlanarak daha fazla g tketen bir cihaz kullanma ihtiyac doabileceinden daha yksek g-te alabilen bir inverter seimi daha mantkldr.

    nverter seimi daha da yksek tutabi-lir ancak fiyat ynnden de uygun bir seenek arandndan ortalama 2500 Wlk bir inverter kullanm iin idealdir. Piyasada bu gteki inverter fiyat 460 Avro civarndadr.

    makinesi, bulak makinesi ve buzdo-lab gibi endktif ykleri karlamak ve bozmamak iin gereklidir [6].

    nverterin gc ayn anda alacan dnlen cihazlarn anlk toplam g-cne gre seilmelidir. rnek vermek gerekirse 2 kW amar makinesi, 300 W televizyon ve 200 W lk lamba ayn anda altrlmak istenirse 2500 Wlk bir inverter seimi gerekecektir [6]. Kimi tasarmlarda inverter seimi saatlik retilen miktarla ayn yaplmak-ekil 2. Aklerin paralel balanmas

    Tablo 1. arj reglatrnn panel gc ve nominal voltaj deerine gre seimi

    Nominal Gerilim Deeri Panel Gc Maksimum Akm

    12 V

    153 W 9 Amper

    374 W 22 Amper

    544 W 32 Amper

    748 W 44 Amper

    1020 W 60 Amper

    24 V216 W 9 Amper

    748 W 22 Amper

    48 V340 W 5 Amper

    1088 W 16 Amper

  • 102 elektrik mhendislii, 439. say, temmuz 2010 elektrik mhendislii, 439. say, temmuz 2010 103

    Tablo 2. Solar panel sistemlerinde kablo seimi

    Kablo Uzunluu [m] 0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-9Amper [A] Kablo Kesiti [mm2 ]0-20 2,5 6 6 6 10 10 10 1021-36 6 6 10 10 20 20 20 3537-50 6 6 10 10 20 20 20 3551-65 10 10 20 35 35 35 35 3566-85 20 20 35 35 35 35 35 3586-105 20 20 35 35 35 35 35 35106-125 35 35 35 35 35 35 35 35125-150 35 35 35 35 35 35 35 35151-200 35 35 50 50 50 50 50 50

    2.5 Kablo Seimi

    Fotovoltaik sistemlerde kablonun se-imi ihmal edilmemesi gerekmektedir. Bilhassa DC (doru akm) sistemlerin hesaplanmasnda dikkat edilmesi ge-reken ana faktrlerinden birisidir ve dikkat edilmediinde oluan zararn maliyeti yksektir. Fotovoltaik sistem kurumunda sistemin hesaplanmas ve gereken rnlerin seimi kolay deildir ama genelde ihmal edilen ve ihmal edilmemesi gereken balant rnlerinin nemi fazlasyla yksektir. Bir sistemin maliyetini incelendiinde, balant paralarnn deeri yaklak %5 ile snrldr. Fakat balant...