güneş enerji sistemleri

DENEY
1
GÜNEŞ ENERJİ SİSTEMLERİ
YENİLEBİLİR ENERJİ SİSTEMLERİ LABORATUARI
YRD. DOÇ. DR. BEDRİ KEKEZOĞLU
DENEY 1 – GÜNEŞ ENERJİSİ SİSTEMLERİ
1.
GÜNEŞ ENERJİ SİSTEMLERİ
Dünyamızın en büyük enerji kaynağı olan güneş enerjisi tarihsel süreç içerisinde elektrik enerjisi
üretiminde de kendisini göstermiştir. Güneş enerjisi sistemlerinden elektrik enerjisi üretimini sağlayan
sistemlere “Fotovoltaik Sistemler” adı verilir.
Fotovoltaik kelimesi “photo” ve “volta” kelimelerinin bileşiminden ortaya çıkmıştır. Photo kelimesi
Latincede ışık anlamını taşımaktadır. Volta (Count Volta: 1745 – 1827 İtalyan fizikçi) ise elektriksel bir
büyüklük olan gerilimin birimi olarak kullanılmaktadır. Kısaca fotovoltaik (photovoltaic - PV) kelimesi
güneş ışığının elektrik enerjisine direk çevrimini ifade etmektedir.
1.1
Fotovotaik Panellerin Yapısı
Güneş enerjisinden elektrik enerjisi üretimini sağlayan fotovoltaik hücreler yarı iletken malzemeler
kullanılarak üretilmektedirler.
Bir PV hücresinin çalışma prensibi klasik p-n jonksiyonlu diyot ile çok benzerdir. Işık jonksiyon
tarafından absorbe edilince, absorbe edilmiş foton enerjisi malzemenin elektron yapısına aktarılır ve
jonksiyon civarında oluşan boşluk bölgesinde, ayrışan yük taşıyıcıların oluşmasına neden olur.
Birikmiş negatif
yükler
Foton
n
Elektron
()
(-)
p
Foton

Boşluk
Bölgesi
Delik
Birikmiş pozitif yükler
Jonksiyon bölgesindeki elektrik yükü taşıyıcıları bir potansiyel oluşturur ve harici bir devre üzerinde
akım sirkülâsyonu olur. I2.Rdevre elektrik enerjisine dönüşen güç olup, geriye kalan ve elektrik enerjisine
dönüşmeyen foton gücü PV hücrenin sıcaklığını arttırır.
Dış devreye bağlanan iletkenler delikleri iletemeyeceğinden dolayı sadece elektronlar dış devre boyunca
akar. n kontağı üzerinde biriken elektronlar n-den p’ye doğru ve yüzeyinde deliklerle birleşerek devreyi
tamamlar.
1
Bir PV hücresinin basit yapısı aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Foto akımlarını toplamak için
jonksiyonun her iki tarafına metal kontaklar yerleştirilmiştir. Hücrenin ön yüzü, yansıtmayı minimum
seviyede tutacak ve mümkün mertebe çok miktarda ışığı yutacak anti yansıtıcı bir kaplama ile kaplıdır.
Ayrıca mekanik koruma için en dış yüzeyi koruyucu bir cam ile kapalı olup, bu cam saydam bir
yapıştırıcı ile sisteme tutturulmuştur.
1.2
Bir PV Modül ve Panel’in Elde Edilmesi
Tipik olarak bir PV hücre 25–30 cm2 lik kare bir alana sahip olup, yaklaşık 1W’lık güç üretir. Yüksek
güçler elde edebilmek için birçok PV hücre seri ve paralel olarak bağlanır ve büyük bir alana sahip bir
modül elde edilir. Bir PV güneş paneli ise ihtiyaç olan akım ve gerilimi üretecek şekilde modüllerin
seri-paralel kombinasyonlarını içerir. Özetle, hücreler modülü, modüller paneli meydana getirir.
HÜCRE
MODÜL
PANEL
Hücrelerin seri bağlanmasıyla modül gerilimi artırılır, paralel bağlantı ile de sağlanmak istenilen akım
değeri elde edilir. Benzer durum paneller birbiri arasında bağlantısında da geçerlidir.
2
1.3
Günümüzde Kullanılan PV Panel Türleri
Günümüzde fotovoltaik panellerin üretiminde çoğunlukla silisyumdan faydalanılmaktadır. Kullanılan
malzemenin yapısına göre paneller,
1) Kristal güneş hücreleri (Monokristal, polikristal)
2) İnce film hücreler
3) Nanoteknoloji hücreler
şeklinde sınıflandırılabilirler.
1.4
PV Panel Akım – Gerilim Karakteristiği
Bir PV hücrenin elektriksel karakteristiği genellikle (i-v)=(akım –gerilim) karakteristiği ile temsil edilir.
Akım
Maksimum gücün elde
edildiği nokta
Isc
1
2
3
0
Voc
Gerilim
PV panellere ait akım gerilim karakteristik eğrileri ışınım miktarına göre farklılık
göstermektedir. Işınım değişimine bağlı olarak açık devre geriliminin değişimi oldukça
küçüktür, buna karşın akım değerlerinde gözle görülür değişiklikler meydana gelmektedir.
Buna göre farklı ışınım değerlerinde I-V eğrisi aşağıdaki gibi değişir.
Akım (A)
Isc
%100 Güneş
%50 Güneş
Isc/2
Bulutlu Bir Gün
0
Gerilim (V)
Voc
3
PV Panel Güç-Gerilim Karakteristiği
1.5
Aşağıdaki şekillerde bir PV panelin güç-gerilim karakteristiği görülmektedir. Şekillerden
görüldüğü üzere PV panelin çıkış gücü gerilim değerine, panel üzerine düşen ışınım değerine
ve hücre sıcaklığına göre değişkenlik göstermektedir. PV panellerin çıkış güçlerinin
eğrilerden görüldüğü üzere en yüksek değerlerini aldıkları gerilim noktaları vardır. PV
paneller ışınım veya sıcaklık değerleri ne olursa olsun, sürekli olarak çıkış uçlarından bu
gerilim değeri alınıyormuş gibi çalıştırılmak istenir. Bu durumda verebilecekleri en yüksek
güç değerini alınmış olur. Bu işlemin ismi Maksimum Güç Noktası Takibi (MGNT) veya
İngilizce haliyle Maximum Power Point Tracking (MPPT) olarak bilinir. PV panellerin çıkış
güçleri ışınım azaldıkça azalırken, sıcaklık artınca da azalmaktadır.
PV Hücre Modeli
1.6
Bir PV hücre akım kaynağı, diyot ve dirençler kullanılarak aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi
modellenebilir.


V
Rs
V
I
G
Vd
I sc
Rs
Vd
I
I SC
Ip
Rp
Id
I

I rp
V
Rp
T

I


I
Bu durumda akım ve gerilim arasındaki matematiksel ilişki şu şekildedir:
4
𝐼 = 𝐼𝑆𝐶 − 𝐼𝑂 (𝑒
𝑞(𝑉+𝐼∙𝑅𝑆 )
𝑘∙𝑇
− 1) − (
𝑉 + 𝐼 ∙ 𝑅𝑆
)
𝑅𝑝
Burada 𝐼𝑆𝐶 , hücrenin kısa devre akımını [A] ; 𝐼𝑂 , ters diyot doyma akımını [A] ; 𝑅𝑆 , seri direnç
değerini [ohm] ; 𝑅𝑝 , paralel direnç değerini [ohm] ; q, elektron yükünü [1,602x10-19] ; k,
Boltzman sabitini [1,381x10-23 j/k] ; T ise, Kelvin olarak jonksiyon sıcaklığını belirtir.
Hücrenin sıcaklığı 25oC kabul edilirse eşitlik şu hale gelir:
𝐼 = 𝐼𝑆𝐶 − 𝐼𝑂 (𝑒 38,9(𝑉+𝐼∙𝑅𝑆 ) − 1) −
1.7
1
(𝑉 + 𝐼 ∙ 𝑅𝑆 )
𝑅𝑝
By-Pass ve Blokaj Diyotları
Aşağıdaki şekilde PV panel içinde bulunan bir hücrenin gölgelenme durumu ele alınmıştır.
Soldaki şekilde görüldüğü üzere akım kaynağından herhangi bir besleme gelmediğinde
devreden akan akım paralel ve seri dirençler üzerinden geçen bir yol izler. Bu durumda ise
hücrede enerji kaybı ve buna bağlı olarak ısınma ortaya çıkar. Bu istenmeyen durumların
önlenmesi için PV hücreye paralel bir diyot bağlanır ve By-Pass diyotu olarak isimlendirilir.
Böylece gölgelenme anında devre üzerinde düşen gerilim değeri sadece diyot gerilim kadar
olurken enerji kaybı da bununla orantılı bir değer alır ve büyük enerji kayıplarının önüne
geçilmiş olur. Aşağıdaki bulunan sağdaki şekilde By-Pass diyotu ve üzerinde düşen gerilim
değeri ( 0.6 V ) gösterilmiştir.

Vsistem  Vn 1  0.6

Vsistem  Vn1  R p  Rs  I
I
Rs
Rs
I
0A
0A
I sc  0
I sc  0
I
V( n 1)
Rp
0 .6 V
Rp
(n) inci
hücre
I
I
V( n 1)
I
Köprüleme diyotları sistem akımının gölgeli veya hatalı çalışan modülün etrafından dolaşarak
5
akmasını sağlar. Köprüleme diyotları PV şeridin sadece performansını artırmakla kalmayıp,
aynı zamanda hücreler üzerinde sıcak noktaların oluşmasını engeller. Benzer bir problem
birden fazla PV şeridin paralel bağlanması durumunda da oluşur. Bu durumda hatalı veya
gölgeli çalışan modül geri kalan diğer modüllerden akım çeker. Bu akımın PV şerit üzerinde
oluşturacağı olumsuz etkiyi ortadan kaldırmak için her bir şeride blokaj diyotları konur. Bu
blokaj diyotları aynı zamanda aküden gelebilecek ters akıma karşıda koruma görevi yapar.
I


2.
DENEYİN YAPILIŞI
Deneyin amacı
2.1

Güneş panellerinde açık devre gerilimi ve kısa devre akımının tespiti

Işınım değişimine bağlı panel çıkış gerilimi ve akımının değişiminin gözlenmesi

Panel açısının çıkış gerilimi ve akımına etkisinin gözlenmesi

Gölgelenmenin panel performansına etkisi

Güneş panellerinde akım – gerilim karakteristiğinin elde edilmesi
6
Deney Seti
2.2
Yukarıdaki resimde görülen deney seti Hibrit Deney Seti olup, bu deneyde sadece PV
Panel kullanılacaktır. Kullanılan deney seti üzerinde bulunan ekipman aşağıda sıralanmıştır;

3 fazlı AC küçük güçlü rüzgar türbini

Fotovoltaik panel ve ışık kaynağı

Hibrid şarj regülatörü

DC-AC inverter

Batarya

DC yük ve AC yük
* Deney seti üzerinde bulunan ekipmanlar deney esnasında tanıtılacak ve deney setinin
kullanımına ait bilgi verilecektir.
7
Ad – Soyad :
Numara :
DENEY FÖYÜ
1. Güneş Paneli Açık Devre Gerilimi-Kısa Devre Akımı Karakteristiği
Işınıma Bağlı Gerilim Değişimi
Gerilim Değeri
(V)
Işınım (W/m2)
Işınım Değeri
(W/m2)
Gerilim (V)
Akım Değeri
(A)
Işınıma Bağlı Akım Değişimi
Işınım (W/m2)
Işınım Değeri
(W/m2)
Akım (A)
2. Açı Değişiminin Panel Çıkışı Üzerine Etkisi
Işınım Değeri (W/m2) :
Işınım
Gerilim Değeri
Açısı (⁰)
(V)
10
20
30
40
60
90
Akım Değeri
(A)
8
3. Gölgelenmenin Panel Çıkışı Üzerine Etkisi
Işınım Değeri (W/m2) :
Gölgelenme
Gerilim Değeri
Oranı
(V)
1/4
1/2
3/4
Tam
Akım Değeri
(A)
4. Güneş Paneli Akım - Gerilim Karakteristiğinin Eldesi
Işınım Değeri (W/m2) :
Yük Değeri
Gerilim Değeri
(ohm)
(V)
50
100
150
200
250
500
1000
Akım Değeri
(A)
Güç Değeri
(W)
Akım (A)
PV Panel Karakteristiği
Gerilim (V)
9
Güç (W)
Güç - Gerilim Eğrisi
Gerilim (V)
10