güneş paneli sistemlerinin tasarımı

  • 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 d