FOTOVOLTAİK SİSTEMLERsolar-academy.com/menuis/Fotovoltaik-Sistemler.023954.pdf · 2012. 9. 7. ·...
Transcript of FOTOVOLTAİK SİSTEMLERsolar-academy.com/menuis/Fotovoltaik-Sistemler.023954.pdf · 2012. 9. 7. ·...
1
FOTOVOLTAİK SİSTEMLER
EES 487 Yeni Enerji Kaynakları
Dr. Mutlu BOZTEPE
03.11.2009
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 2
Enerji kaynaklarının özellikleri
2
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 3
Fotovoltaik Sistemler
• PV sistem tipleri
– Basit DC PV sistemler
• Direkt bağlı PV sistemler (Direct coupled PV systems)
• Bataryalı DC PV sistemler (DC PV system with storage)
– Otonom PV sistemler (Stand-Alone PV systems)
– Hibrit Sistemler (Hybrid systems)
– Şebekeye Bağlı Sistemler (Grid-connected PV systems)
• Grid-backup PV systems (şebeke sadece yedekleme amaçlı)
• Grid-interactive PV systems (Şebekeyle enerji alışverişi var)
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 4
Fotovoltaik Sistemler
• Fotovoltaik sistemlerin kalbi Güneş pilleridir.
• Hareketli parçası yok, dolayısıyla bakım neredeyse gereksiz.
• Sessiz çalışır. Dikkat, çoğunlukla insanlar PV modül elektriğinin çarpmadığını düşünürler :-o
• Yerçekimsiz ortamlarda da çalışabilir.
• Çevreyi kirletmez, çevre dostudur.
• Eleman sayısının artması (batarya, şarj reg., invertör vs.) arıza olasılığını ve kayıpları artırır.
• İlave güç kaynaklarının kullanılması (dizel jen. gibi) enerjinin sürekli kullanılabilir olma olasılığını (availability) iyileştirir.
• Eleman sayısının artması maliyeti de arttırır. Ama istenilen bir availability değerine ulaşmak için maliyeti düşürür.
3
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 5
Fotovoltaik Sistemler
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 6
Direkt bağlı PV sistemler
• En basit PV sistem tipidir.
• Eleman sayısı az olduğundan en
ekonomik sistemdir.
• Güvenilirliği (reliability) yüksektir.
• Sadece güneş olduğu zamanlarda
çalışır.
YükPV
• Bu tür sistemler sadece gündüz çalışması gereken DC yükler için en
uygun çözümdür.
• Güneş pilleri ile yük arasındaki maksimum güç aktarımını
gerçekleştirebilmek için MPP izleyici kullanılabilir.
• Güneş pili akım ve gerilimindeki ışınıma bağlı değişmelere yükün
toleransı olmalıdır.
• Uygulamalar: Su pompalama, hesap makinaları, oyuncaklar, Fanlar,
pompalar vs.
4
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 7
Direkt bağlı PV sistemler
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 8
Bataryalı DC PV Sistemler
• Küçük ve özel amaçlı sistemlerde sıkça kullanılır.
• Sadece DC yükleri çalıştırabilir.
• Dc standartlara göre kurulum yapılmalıdır. Kablolama, sigortalar,
soketler AC malzemelerle yapılmamalıdır.
• Çoğunlukla şarj regülatörü kullanılır. MPP izleyicisinin kullanımı
yüke ve sisteme göre değişir.
• Sistem gerilimi yüksek ise kablolama ve montaj çok dikkat ister.
(>40Vdc tehlike sınırı)
• Güneş enerjisindeki süreksizlikleri
dengelemek için küçük boyutlu bir
batarya kullanılır. Böylece gerilim
sabit kalır!
• Uygulamalar: Özel endüstriyel
uygulamalar ve konutlarda
5
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 9
Bataryalı DC PV Sistemler
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 10
Bataryalı DC PV Sistemler
6
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 11
Bataryalı DC PV Sistemler
• Askeri uygulamalar
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 12
Bataryalı DC PV Sistemler
CELLULARNOTEBOOKS
PDA
7
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 13
Bataryalı DC PV Sistemler
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 14
Stand-Alone PV Sistemler
• Esnek bir sistemdir.
• İnvertör sayesinde AC yükler de çalışabilir.
• Batarya sayesinde, yükler sadece gündüz değil gece de
çalıştırılabilir. Hatta, arka arkaya 3-5 kapalı gün olsa dahi sistem
iflas etmeyecek şekilde batarya boyutlandırılabilir.
• Sistem verimi kullanılan elemanlara bağlıdır.
– MPP izleme sistem verimini artırır.
– Batarya verimi ve inverter verimi oldukça önemlidir.
8
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 15
Stand-Alone PV Sistemler
• 1993‟te şebekeden uzak
bölgelerdeki PV sistemler tüm
pazarın %80‟ini ve kristal Si PV
modül pazarının %90‟ını
oluşturmuştur.
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 16
Stand-Alone PV Sistemler
• Telekomunikasyon, radar, navigasyon sistemleri trafik
işaretleri
• Güvenilir sistemler ve bakımsız çalışabilirler.
• Buralarda ekonomik!
9
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 17
Stand-Alone PV Sistemler
Endüstriyel uygulamalar
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 18
Stand-Alone PV Sistemler
• Genel olarak şebekeden 1.5km uzak yerlerde ekonomik
sistemlerdir.
• Şebekenin verdiği enerji konforunu verebilmektedir.
10
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 19
Stand-Alone PV Sistemler
• Gelişmekte olan ülkelerde önemli bir enerji
kaynağıdır.
• Su pompalama, elektrifikasyon,
aydınlatma, medikal uygulamalar, iletişim
sistemleri
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 20
Stand-Alone PV Sistemler
21. Yüzyılda 2 milyar insanın elektriksiz olduğu tahmin edilmektedir. PV
sistemler çözüm olabilir.
11
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 21
Stand-Alone PV Sistemler
• Vaha elektrifikasyonu
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 22
Stand-Alone PV Sistemler
• Bahçe aydınlatması
12
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 23
Stand-Alone PV Sistemler
• Güneş aydınlatma sistemleri,
alternatiflerine göre (lux, mum) daha
ekonomik ve konforludur.
• Gerekli ilk yatırım, uygun finans
yöntemleri ile sağlanabilmektedir.
Gelişmekte olan ülkeler
Stand-Alone PV Sistemler
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 24
Güneş Enerjili Parkmetre
13
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 25
Hibrit Sistemler
• Alternatifli güç sistemidir. Genellikle dizel jen. ile PV sistem
yedeklenir.
• Sadece dizel sistemler verim ve bakım gereksinmesi açısından
kısmi yüklerde zayıf bir performans gösterir.
• Batarya eklemek kısmi yüklerde jeneratör çalıştırma gereksinmesini
azaltır.
• PV sistemin kullanılması ise
dizel yakıt kullanımını azaltır.
• Güneş enerjisi kullanımı yüksek
tutulursa availability yükselir.
• Uygulamalar: Şebekeden uzak
evlerin enerjlendirilmesi
Hibrit Sistemler
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 26
14
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 27
Şebekeye bağlı sistemler
• Depo elemanı kullanılmaz. (Şebeke enerji deposu gibi çalışır)
• Üretilen enerji yük üzerinde anında kullanılır. Fazla enerji şebekeye aktarılır. Eksik enerji şebekeden tamamlanır.
• İnverterin tasarımı özeldir, şebekeye kontrollü enerji aktarabilir ve güneş pillerini MPP de çalıştırır.
• Ayrıca inverter şebekenin enerji kalitesi (harmonik) ve güvenlik gereksinimlerini karşılamak zorundadır. (İslanding etkisi)
• Fazla enerji satılarak maliyet azaltılabilir.
• Birçok tipi vardır:
• Çatı tipi sistemler (residential)
• Binaya entegre sistemler(Building-integrated)
• Santral tipi sistemler(utility scale)
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 28
Performance ratio
Ref. http://www.nrel.gov/docs/fy05osti/37358.pdf
15
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 29
Şebekeye bağlı sistemler
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 30
Şebekeye bağlı sistemler
16
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 31
Şebekeye bağlı sistemler
• Hızla büyüyen bir sektör (büyüme hızı
%30)
• Çevreye saygılı enerji
• Merkezi olmak yerine dağıtılmış enerji
üretimi.
• Enerji üretildiği yerde kullanılıyor.
Dağıtım kayıpları azalıyor!
• Şebekenin Pik-güç gereksinimini
karşılama
• Ekonomiklik, birim enerji maliyeti
düşük
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 32
Şebekeye bağlı sistemler
• Solar city, Amersfoort, Holland
17
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 33
Building integrated PV (BIPV)
• Mimari detaylara uygun modüller ile montaj
maliyetleri azalıyor.
• Bina yüzeylerine kaplanabiliyor.
• Modüller, diğer kaplama malzemelerine göre
çoğunlukla daha ucuz
• Değişik renk ve biçimlerde özel modüller
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 34
Building integrated PV (BIPV)
18
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 35
Building integrated PV (BIPV)
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 36
Residential PV
• Gündüz şebekeye ver, gece şebekeden kullan
• Üretilen tüm enerji yerinde kullanılıyor
• Batarya veya herhangi bir depolama elemanına gerek yok
• Yaygınlaşabilmesi için sübvansiyon miktarı önemli (teşvikler)
19
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 37
Utility scale PV
• Temiz enerji sistemleri
• Demo sistemler
• Dağıtılmış güç üretimi
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 38
Utility scale PV
• 1 MWp PV system
20
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 39
Utiliy Scale PV system
Central inverter
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 40
Utiliy Scale PV system
String inverter
21
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 41
Utiliy Scale PV system
Module inverter
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 42
Uzay
• Mükemmel bir “remote” uygulaması
• Teknoloji çoğunlukla III-IV teknolojisi (GaAs)
22
PV SİSTEM TASARIMI
EES 487 Yeni Enerji Kaynakları
Dr. Mutlu BOZTEPE
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 44
Tasarımda Önemli Noktalar
• Modül yüzeyine gelen güneş enerjisi ne kadar?
• Günlük kWh enerji ihtiyacı nedir?
• Yükün günlük profili nasıl?
– Yükün ortalama gücü (W) nedir?
– Yükün maksimum gücü (W) nedir?
• Çalışma gerilimi nedir?
• Ne kadar enerji depolamaya gereksinim var?
• Tasarımda tüm bu sorular net olarak
yanıtlanmalıdır!
23
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 45
Gelen güneş enerjisi
• Herhangi bir yer için ışınım ölçümü çoğunlukla
yatay yüzeyde yapılır.
• Modüller daha çok ışınım almak için eğimli
yerleştirilirler.
• Daha önce verilen hesaplamalarla, yatay yüzeye
gelen ışınım modül yüzeyine dönüştürülebilir.
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 46
Peak Saat (PS) kavramı
1000 W/m2 sabit ışınım şiddetinde, günlük toplam güneş radyasyonuna eşit bir enerjiyi elde edebilmek için gereken süreye denir.
Güneşin
doğuşu
Güneşin
batışısaat
Işınım W/m2)
Gmax
1000 W/m2
Peak saat
Gün uzunluğu
24
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 47
Gelen güneş enerjisi
• Barcelona 60° eğimli yüzeyde günlük toplam ışınım
(kWh/m2)
Ocak 4.60 Temmuz 4.80
Şubat 4.59 Ağustos 4.85
Mart 4.62 Eylül 4.58
Nisan 4.55 Ekim 4.53
Mayıs 4.30 Kasım 4.12
Haziran 4.45 Aralık 3.49
Yıllık ortalaması = 4.46 kWh/m2
Peak saat ortalaması = 4.46 saat
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 48
Yükün enerji gereksinimi (kWh)
• Bir gün boyunca gereken toplam enerji kWh
olarak hesaplanır.
• AC ve DC yükler ayrı ayrı hesaba katılmalıdır.
Çünkü verimler farklıdır.
• Her bir yük için ortalama güç ve ortalama
çalışma saatleri hesaplanır ve verimler de
hesaba katılarak toplam günlük enerji ihtiyacı
elde edilir.
25
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 49
Yükün enerji gereksinimi (kWh)
• DC ve AC tip Gece/Gündüz yüklerinde verimler
BATPV
DC yükler
(Gündüz)
DC yükler
(Gece)
INV
AC yükler
(Gece)
INV
AC yükler
(Gündüz)
Modül
gücü
PV= temp . optic . mismatch = (0.9) . (0.95) . (0.95) = 0.81
INV= 0.90
BAT= charge/discharge eff = 0.80Depth of discharge of
battery (DOD) is %70!
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 50
Yükün enerji gereksinimi (kWh)
• Günümüzde invertör verimleri yüksek olduğundan DC ile çalışan cihazlara yönelme olmamaktadır.
• Su pompalama uygulaması gündüz çalışan yük olarak düşünülebilir.
Modül
gücüBATPV
DC yükler
(Gündüz)
INV
AC yükler
(Toplam)
Enerji
gereksinimi
DC yükler için verim DC= PV = 0.81
AC yükler için verim AC= PV BAT INV = 0.58
26
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 51
Yük hesabı
Ort.Güç Çalışma Enerji Tüketimi [Wh]
Yük [W] süresi [h] Adet Günlük Haftalık
DC yükler
Pump 55 2/gün 1 110 770
Toplam 770
AC yükler
Aydınlatma 1 25 5/gün 4 500 3500
Aydınlatma 2 15 2/gün 6 180 1260
Bilgisayar 250 1.5/gün 1 375 2625
Ütü 800 0.5/hafta 1 - 400
Buzdolabı 200 8/gün 1 1600 11200
Mikrodalga 500 1/hafta 1 - 500
Toplam 19485
Ort. günlük DC yük= 770 / 7 = 110 Wh/gün
Ort. günlük AC yük= 19485 / 7 = 2783.57 2784 Wh/gün
Ort.günlük enerji ihtiyacı = EL= 110/0.81 + 2784/0.58=4936 Wh/gün
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 52
Yük hesabı
• Ortalama Yük akımı
• Sistem voltajı 24V olsun. IL=4936 / (24.24) = 8.57A
DC
LL
V
EI
.24 Sistem
voltajı
NOT: Buradaki sistem voltajı nominal değerdir. Yani 12 V‟luk
bir sistemde 12V‟luk bir batarya kullanılır. Ancak 12V‟luk bir
bataryanın çalışma gerilimi 11-14V arasında olduğu
hatırlanmalıdır!
27
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 53
PV boyutu
• PV generatör en az yükün ihtiyacı kadar enerji üretmelidir.
DCPVL VIPSgünWhE ..)/(
Peak saat
PS
II L
PV
24
DC
LL
V
EI
.24 Denklemiyle birlikte çözülürse;
Gerekli PV akımı bulunur.
IPV=(24).(8.57) / (4.46)= 46.11 A
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 54
Paralel bağlı modül sayısı Np
SC
PVp
I
ISFN
Sizing factor
Modül kısa devre
akımı (STC)
Np=46.11/4.5=10.25 NP=11 SF=11/10.25=1.073 (%7.3)
ISC=4.5 A OST80 Çok kristal Si Modül
Bu değer büyüdükçe güvenlik
artar. Örneğin Np=12 olursa
SF=1.115 (%11.5)
28
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 55
Seri bağlı modül sayısı NS
mp
DCS
V
VN
Modül çalışma
voltajı (STC)
VMP=15.5 V OST80 Çok kristal Si Modül
Ama burada nominal değerler kullanılıyor. O nedenle 36 adet
hücre için 12V alınmalı.
Ns=24/12=2 NS=2
Toplam modül sayısı = Np . Ns = 11 . 2 = 22 modül
Toplam PV gücü = 22 . 80 = 1760 WpWp: Watt peak
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 56
Batarya kapasitesi
sayisigünkapalıxDOD
EE L
BAT
Depth of
discharge %70
Ardarda kapalı geçen gün
sayısı. Bu günlerde enerji
bataryadan sağlanacak. 3-5
arasında kabul edilir. Ne
kadar büyük olursa sistem o
kadar güvenilir olur. Ama
maliyet artar
EBAT= 4936 * 5 / 0.7 = 35257 Wh
Amper saat kapasitesi = 35257 / 24 = 1469 Ah
150 Ah / 12V „luk akülerimiz olsun.
Paralel Akü sayısı= 1469 / 150 = 9,79 10
Seri bağlı akü sayısı= 24/12=2
Toplam akü sayısı=20 Toplam Akü kapasitesi = 36.0 kWh
29
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 57
Loss of load probability (LOLP)
• Yükün enerjisiz kalma olasılığıdır. Tasarımda kullanılan kapalı gün
sayısı ile doğrudan ilgilidir.
• İstatistiksel bir sonuçtur. Tasarlanan sistem 1 yıl boyunca saat saat
simule edilir ve bataryanın iflas ettiği, yani yüke enerjinin verilemediği
süreler toplanır. Bu sürenin toplam süreye oranı LLP‟dir.
Uygulama LLP
Aydınlatma 10-2
Ev cihazları 10-1
Telekomünikasyon 10-4
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 58
İnvertör seçimi
Ort.Güç Çalışma Enerji Tüketimi [Wh]
Yük [W] süresi [h] Adet Günlük Haftalık
AC yükler
Aydınlatma 1 25 5/gün 4 500 3500
Aydınlatma 2 15 2/gün 6 180 1260
Bilgisayar 250 1.5/gün 1 375 2625
Ütü 800 0.5/hafta 1 - 400
Buzdolabı 200 8/gün 1 1600 11200
Mikrodalga 500 1/hafta 1 - 500
Toplam 19485
Aynı anda çalışabilecek yüklerin güçleri toplamı bulunur. İnvertör
gücü bundan büyük olmalıdır. Bazı yükler (buzdolabı vs.) ilk kalkışta
yüksek akım çekerler. Bu durum dikkate alınmalıdır.
Buzdolabı(x4 kat demaraj akımı olsun), ütü(veya mikrodalga), bilgisayar ve
25W aydınlatma aynı anda çalışırsa; 4*200+800+250+25=1875W 2kW
inverter yeterli.
30
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 59
Şarj regülatörü seçimi
• Paralel PV modül sayısı Np=11 olarak
bulunmuştu. Her bir modül ISC=4.5A old. Göre
maksimum 49.5 A verebilir.
• Şarj regülatörü >50A seçilmelidir. Gerilimi 24V
olmak şartıyla.
• PV modülleri gruplara ayırıp, daha düşük güçte
şarj regülatör kullanmak mümkündür. Gerilim
değişmez.
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 60
Balance of the system
• DC ve AC ayırıcılar (kesiciler)
• DC ve AC sigortalar
• Topraklama
• Paratoner (yıldırıma karşı korumalar, surge
protector)
• İzolasyon
• Batarya için bir oda, havalandırmalı
• Elektriksel bağlantılar (wiring)
31
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 61
Sistem şeması
…
Toplam 11 paralel kol, 22
adet OST80 80Wp modül
ŞARJ REG.
…
Toplam 10 paralel kol, 20
adet 150Ah/12V akü
60A
100A
2kW/24=83.3
100 A
İNV.
2kW
AC
YÜKLER
220V/50Hz
Surge
protector
DC
YÜKLER
Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 62
Gelişmiş tasarım yöntemleri
• PV sistem tasarım paket programları
• PVSYST, PVSOL, TRNSYS vs.
– Sentetik ışınım hesabı yapılabiliyor. Veya ölçülmüş
değerler programa girilebiliyor.
– Kütüphanesinde ticari modül, şarj regülatörü, invertör
vs. var.
– Bütün bir yıl boyunca saat saat analiz yapıp, çok
detaylı sonuçlar elde edilebiliyor. Optimizasyon için
bunlar çok önemli!
– Maaliyet analiz yapılabiliyor.