Fotovoltaik Teknoloji
Bölüm 7: Fotovoltaik Sistem Tasarımı
Fotovoltaik Sistemler
On-Grid Sistemler
Off-Grid Sistemler
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri
Modül
Batarya
Dönüştürücü
Dolum Kontrol Cihazı
Fotovoltaik Sistem Tasarımı
Dr. Osman Turan
Makine ve İmalat Mühendisliği
Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi
Fotovoltaik Sistemler
 Güneş enerjisini elektrik enerjisine çeviren sistemlere "Fotovoltaik Sistemler"
denir.
Fotovoltaik Sistemler
Şebeke bağlantılı (on-grid)
sistemler
Şebekeden bağımsız
(off-grid) sistemler
Fotovoltaik Sistemler: On-Grid Sistemler
 Şebeke Bağlantılı Sistemlerde, kullanıcının enerji tüketimi, fotovoltaik sistemin
ürettiği enerjiden karşılanır. Tüketimin üretimden fazla olduğu durumlarda
kullanıcı tüketim fazlası enerjiyi şebekeden alır; buna karşılık, kullanıcının
tüketimi üretiminden az olduğu durumlarda ise üretim fazlası enerji ile şebeke
beslenir.
Fotovoltaik Sistemler: On-Grid Sistemler
 Şebeke bağlantılı (On-Grid) fotovoltaik sistemlerin en gelişmişi,
fotovoltaik elektrik santralleridir.
Fotovoltaik Sistemler: Off-Grid Sistemler
 Şebekeden bağımsız (off-grid) sistemlerde, fotovoltaik paneller ile üretilen
elektrik enerjisi akülerde depolanır ve kullanıcı enerji ihtiyacını (gece-gündüz) bu
akülerden sağlar. Sistemin kapasitesi, otonomi süresi boyunca (güneşten elektrik
üretilemediği süreç) kullanıcının ihtiyacını karşılayacak şekilde boyutlandırılabilir.
 Şebekeden bağımsız (off-grid) sistemlerde, akım ile beslenen bir makine, tesis
veya bir konut olabilir.
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri
 Fotovoltaik sistemlerin tek parçası fotovoltaik hücreler, modüller ya da
dizinler değildir.
 Birçok uygulamada, üretilen fazla elektriği gece kullanabilmek ya da
bulutlu günlerde kullanmak üzere bataryalarda depolamak gerekir.
 Ev ve işyeri uygulamalarında çoğunlukla alternatif akım (AC) kullanılır.
Fotovoltaik modüller ise doğru akım (DC) üretir. Bu nedenle DC akım bir
dönüştürücü (inverter) ile AC akıma dönüştürülür.
 Uygulamaya göre diğer kontrol ve ara yüz devreleri gerekli olabilir.
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri
Temel Bileşenler
1
4
1
PV Modül
2
Batarya kontrol ünitesi
3
Batarya
4
Dönüştürücü (inverter)
2
3
Yardımcı Bileşenler
Sayaç
Güç izleyici
Sigorta
Diyot
Kablo
Montaj malzemeleri
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri : PV Modül
 Tek bir fotovoltaik (PV) hücrenin sağladığı güç oldukça küçüktür.
MARSROCK firmasına ait
Polycrystalline Silicon Solar Cell 156x156,
verim %17, güç 4 W.
 Bu nedenle, pratik uygulamalarda daha yüksek miktarlarda güç elde edebilmek
için çok sayıda fotovoltaik hücre birbirine bağlanır.
 Fotovoltaik hücreler seri, paralel ve karışık olmak üzere üç farklı şekilde
bağlanırlar.
Hücre
Modül
Fotovoltaik Sistem
Dizin
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri : PV Modül
BPSX170B (170 W)
SW 280 (280 W)
LG270S1C-A3 (270W)
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri : PV Modül
Seri Bağlama
 n tane özdeş fotovoltaik hücre seri bağlanırsa, toplam voltaj tek bir hücrenin
voltajının n katı kadar olacaktır.
 Toplam akım ise, bir hücreden geçen akıma eşit olacaktır.
 Yandaki şekil iki hücre seri bağlanması
durumunda I-V karakteristiğinde meydana
gelen değişimi göstermektedir.
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri : PV Modül
Paralel Bağlama
 m tane özdeş fotovoltaik hücre paralel bağlanırsa,
toplam akım tek bir hücreden geçen akımın m katı
kadar olacaktır.
 Toplam gerilim ise, bir hücrenin gerilimine eşit olacaktır.
 Aşağıdaki şekil iki hücre seri bağlanması durumunda I-V
karakteristiğinde
meydana
gelen
değişimi
göstermektedir.
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri : PV Modül
Karışık Bağlama
 n tane özdeş fotovoltaik hücre seri, m tane
özdeş fotovoltaik hücre paralel bağlanırsa,
toplam voltaj tek bir hücrenin voltajının n katı
kadar olacaktır.
 Toplam akım ise, bir hücreden geçen akımın m
katına eşit olacaktır.
 Aşağıdaki şekil özdeş iki hücre karışık
bağlanması durumunda I-V karakteristiğinde
meydana gelen değişimi göstermektedir.
Karışık bağlama
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri : PV Modül:
PV Modüllerin Bağlanması
By-pass Diyotu
 By-pass diyotları bir modülün arızalı
olması durumunda düşük dirençli bir yol
sağlamak için kullanılırlar. Modüllere
paralel bağlanırlar.
 By-pass diyotlarının amacı, modüllerden
birinin zarar görmesi halinde dizinin güç
üretimine devam etmesini sağlamaktır.
Blok Diyotu
 Blok diyotları, fotovoltaik sistemin ışık almadığı
(gece veya gölgelenme olduğu) zamanlarda
akımın bataryadan tekrar modüllere dönmesini
engelleyerek, bataryanın boşalmasının önüne
geçmek amacıyla kullanılırlar.
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri : PV Modül:
PV Modül Parametrelerinin Belirlenmesi
 Fotovoltaik modül parametreleri, üretici firmalar tarafından, belirli standart
koşullar altında yapılan testler sonucunda belirlenir.
Karasal Uygulamalar İçin
ASTM G173:
Tcell = 25 Co
AM 1.5 (Zenit Açısı, θ = 48.2o; AM = 1/cos θ)
G = 1000 W/m2
 Ayrıca üretici firmalar aşağıdaki koşullar altında ve modülün Normal Çalışma
Sıcaklığındaki (Normal Operating Cell Temperature, NOCT = 40 – 70 oC) modül
parametrelerini belirlerler.
Tçevre = 20 Co
AM 1.5 (Zenit Açısı, θ = 48.2o; AM = 1/cos θ)
G = 800 W/m2
Ort. Rüzgar hızı : 1 m/s
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri : PV Modül:
PV Modül Parametrelerinin Belirlenmesi
LG 250 Black Mono X LG250S1C-G2
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri : PV Modül:
PV Modül Parametrelerinin Belirlenmesi
 Herhangi bir çalışma koşulu altındaki modül parametreleri, üretici firma
tarafından verilen standart değerler kullanılarak aşağıdaki gibi belirlenebilir:
Açık Devre Gerilimi
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri : PV Modül:
PV Modül Parametrelerinin Belirlenmesi
Kısa Devre Akımı
Maksimum Güç
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri : PV Modül:
PV Modül Parametrelerinin Belirlenmesi
Örnek 7.1
36 adet fotovoltaik hücre seri olarak bağlanması ile fotovoltaik bir modül hazırlanmıştır.
Üretici firma, standart modül parametrelerini aşağıdaki gibi tanımlamıştır:
Modülün aşağıda belirtilen ortam koşullarında çalışması durumundaki modül
parametrelerini belirleyin.
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri : Batarya
 Fotovoltaik sistemler tarafından üretilen elektrik enerjisi, genellikle istenildiği
zaman kullanılmak üzere depolanır.
 Fotovoltaik sistemlerde elektrik enerjisinin depolanması , özellikle uygun
maliyet/verim oranı ve yüksek çevresel geri dönüşüm ilişkilerine bağlı olarak, en
uygun olarak akü ya da bataryalar ile sağlanır.
PV sistemlerde Kullanılacak Bataryalarda İstenen Temel Özellikler







Yüksek kapasiteli olmalı
Düşük maliyetli olmalı
Uzun ömürlü olmalı
Kendi kendine boşalma yüzdesi düşük olmalı
Bakım gereksinimleri düşük olmalı
Yüksek sıcaklığa karşı dayanıklı olmalı
Enerji girişinin düzensiz olduğu durumlarda
etkin bir şekilde kullanılabilmeli.
 Kolay dolum için, düşük iç dirence sahip olmalı
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri : Batarya
 Batarya, elektrik enerjisini kimyasal enerji olarak depolayan cihazlardır.
 Bir bataryanın kapasitesi, o bataryada ne kadar elektrik depolanabileceği ile
ölçülür.
 Bataryanın kapasitesi, kaç saat boyunca ne kadar sabit akımın çekilebileceğini
belirten, amper-saat (AH) cinsinden ölçülür.
200 AH → 10 saat boyunca 20A akım sağlar → C10
200 AH → 20 saat boyunca 10A akım sağlar → C20
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri : Batarya
PV Sistemlerde Kullanılan
Batarya Türleri
Kurşun-Asit Bataryalar
Nikel-Kadmiyum
Bataryalar
 Yeniden şarj edilebilir.
 Yeniden şarj edilebilir.
 Ucuz ve yüksek kapasiteli
 Pahalı ve uzun ömürlü
 PV sistem uygulamaların
büyük çoğunluğunda tercih
edilir.
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri : Batarya
Kurşun-Asit Bataryalar
 Anot (pozitif elektrot): PbO2
 Katot (negatif elektrot): Pb
 Elektrolit: Seyreltilmiş H2SO4 (Sülfirik asit)
Çözeltisi
 Batarya kullanıldıkça her iki elektrotta SO4 (sülfat) iyonlarını toplar ve elektrolit
aşağıdaki gibi iyonlaşarak biraz daha zayıf bir asit halini alır.
 Batarya kullanıldıkça negatif elektrotta aşağıdaki reaksiyon gerçekleşir:
 Serbest kalan iki elektron yükün üzerinden geçerek pozitif elektrota ilerler ve
aşağıdaki kimyasal reaksiyon oluşur:
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri : Batarya Kontrol Ünitesi
 PV sistemlerde batarya kontrol üniteleri
PV modül ile batarya arasında kullanılır.
Batarya Kontrol Ünitesi kullanım sebepleri
1
4
2
3
1
PV Modül
2
Batarya kontrol ünitesi
3
Batarya
4
Dönüştürücü (inverter)





Bataryayı fazla şarjdan korumak
Bataryaları tamamen boşalmaktan korumak
Sistem performansını belirlemek
Maksimum güç aktarımını sağlamak
DC – DC çevrimi
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri : Dönüştürücü
 Dönüştürücü (inverter) temel işlevi,
fotovoltaik modül tarafından üretilen
DC akımı AC akıma çevirmektir.
1
Off – Grid inverter
4
2
3
On – Grid inverter
1
PV Modül
2
Batarya kontrol ünitesi
3
Batarya
4
Dönüştürücü (inverter)
Fotovoltaik Sistem Tasarımı
• Günlük elektrik ihtiyacı hesabı
• Batarya kapasitesi hesabı
• PV modül sayısı hesabı
• Dönüştürücü boyutu hesabı
Fotovoltaik Sistem Tasarımı : Günlük Elektrik İhtiyacı Hesabı
 Günlük elektrik ihtiyacı, kullanılacak aletlerin türüne ve miktarına bağlıdır.
 Günlük elektrik ihtiyacını hesaplayabilmek için her aletin güç tüketiminin ve
kullanım saatinin bilinmesi gerekir.
Fotovoltaik Sistem Tasarımı : Günlük Elektrik İhtiyacı Hesabı
 DC ve AC elektrik tüketimini belirlemek üzere Tablo 7.2 ‘de gösterildiği gibi her
aletin günlük ve haftalık kullanım saatleri ve toplam güç gereksinimi belirtilmelidir.
Tablo 7.2. Toplam Elektrik Tüketimi Hesaplama Çizelgesi
ΣDC
ΣDC + 1.2 x ΣAC
ΣAC
=
12 V ya da 24 V
Toplam (WH/hafta)
Batarya Voltajı (V)
Toplam (WH/hafta) / Batarya Voltajı
=
Toplam (AH/hafta)
Toplam (AH/hafta) / 7
=
Toplam (AH/gün)
Wsaat/hafta
Gün/hafta
Saat/gün
Watt
Miktar
Alet
Wsaat/hafta
AC Elektrik Tüketimi
Gün/hafta
Saat/gün
Watt
Miktar
Alet
DC Elektrik Tüketimi
Fotovoltaik Sistem Tasarımı : Batarya Kapasitesi Hesabı
 Batarya kapasitesini hesaplamak için gerekli aşamalar Tablo 7.3’ de verilmiştir.
 Boşalma derinliği batarya türüne bağlı olup, bir emniyet katsayısıdır ve genelde 0.5 olarak
dikkate alınır.
 Batarya sıcaklık katsayısı (Tablo 7.4)
ortam sıcaklığına bağlıdır.
 Batarya sıcaklık katsayısı kış aylarında
daha yüksek değerler alır.
 Sistem hem kış hem de yaz aylarında
çalışacak ise, batarya sıcaklık katsayısı
ortalama değer alınmalıdır.
Tablo 7.3. Batarya Kapasitesi Hesaplama Çizelgesi
Toplam Elektrik Tüketimi
B1
(AH/gün)
B2
Bulutlu Günler (gün)
Boşalma Derinliği = 0.5
B3
Boşalma Derinliği
Tablo 7.4
B4
Batarya Sıcaklık Kats.
B5= (B1) x (B2) x (B3) x (B4)
B5
Gerekli Batarya Kapasitesi (AH)
B6
Seçilen Batarya Kapasitesi (AH)
B7 = (B5)/(B6)
Batarya Sayısı
B7
Fotovoltaik Sistem Tasarımı : PV Modül Sayısı Hesabı
 Gerekli PV modül sayısını hesaplamak için gerekli aşamalar Tablo 7.5’ de verilmiştir.
 Batarya şarj etme/boşalma zamanlarından dolayı %20 lik etkinlik kaybı bulunmaktadır. Bu
yüzden amper - saat (AH) hesabı 1.2 ile çarpılır.
Tablo 7.5. PV Modül Sayısı Hesaplama Çizelgesi
Toplam Elektrik Tüketimi
C1
(AH/gün)
Etkinlik Kaybı = 1.2
C2
Etkinlik Kaybı
C3
Ort. Etkili Güneş Saati (gün/H)
C4
Bir PV Modülün Etkili Amperi (A)
C5
Toplam Modül Sayısı
C5 = (C1) x (C2) x (C3) / (C4)
Fotovoltaik Sistem Tasarımı : Dönüştürücü Hesabı
 Gerekli dönüştürücü (inverter) kapasitesini hesaplamak için gerekli aşamalar Tablo 7.6’ de
verilmiştir.
 Dönüştürücü kaybı genelde %20 olarak dikkate alınır.
Tablo 7.6. Dönüştürücü Kapasitesi Hesaplama Çizelgesi
Toplam AC Elektrik Tüketimi
D1
W
Dönüştürücü Kaybı = 1.2
D2
Dönüştürücü Kaybı
D3 = (D1) x (D2)
D3
Dönüştürücü Kapasitesi (W)
Fotovoltaik Sistem Tasarımı
Örnek 7.2
Küçük bir kulübe için fotovoltaik bir sistem tasarlanacaktır. Kullanılacak aletler ve
kullanım süreleri aşağıdaki tabloda verilmiştir. Sadece AC aletlerin kullanılacağını
varsayınız.
Lamba
Lamba
TV
PC
ΣDC
ΣDC + 1.2 x ΣAC
12 V ya da 24 V
Toplam (WH/hafta) / Batarya Voltajı
Toplam (AH/hafta) / 7
=
=
=
3
2
1
1
11
15
40
120
Wsaat/hafta
Gün/hafta
Saat/gün
Watt
Miktar
Alet
Wsaat/hafta
Gün/hafta
Saat/gün
Watt
Miktar
Alet
Tablo 7.2. Toplam Elektrik Tüketimi Hesaplama Çizelgesi
DC Elektrik Tüketimi
AC Elektrik Tüketimi
3
2
4
5
4
5
2
3
396
300
320
1800
ΣAC
2816
Toplam (WH/hafta) 3379.2
Batarya Voltajı (V)
12
Toplam (AH/hafta) 281.6
Toplam (AH/gün) 40.229
Tablo 7.3. Batarya Kapasitesi Hesaplama Çizelgesi
(AH/gün) 40.229
Toplam Elektrik Tüketimi
B1
Bulutlu Günler (gün)
B2
10
Boşalma Derinliği
Boşalma Derinliği = 0.5
B3
0.5
Batarya Sıcaklık Kats.
Tablo 7.4
B4
1.19
Gerekli Batarya Kapasitesi (AH) 239.36
B5= (B1) x (B2) x (B3) x (B4)
B5
Seçilen Batarya Kapasitesi (AH)
B6
60
Batarya Sayısı 3.9893
B7 = (B5)/(B6)
B7
Tablo 7.5. PV Modül Sayısı Hesaplama Çizelgesi
(AH/gün) 40.229
Toplam Elektrik Tüketimi
C1
Etkinlik Kaybı
Etkinlik Kaybı = 1.2
C2
1.2
Ort. Etkili Güneş Saati (gün/H)
C3
6.5
Bir PV Modülün Etkili Amperi (A)
C4
120
Toplam Modül Sayısı 2.6149
C5 = (C1) x (C2) x (C3) / (C4)
C5
Tablo 7.6. Dönüştürücü Kapasitesi Hesaplama Çizelgesi
W
Toplam AC Elektrik Tüketimi
D1
Dönüştürücü Kaybı
Dönüştürücü Kaybı = 1.2
D2
Dönüştürücü Kapasitesi (W)
D3 = (D1) x (D2)
D3
186
1.2
223.2
Download

Fotovoltaik Sistemler - Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi Makine ve