3. MATERYAL VE YÖNTEM
4.1. Sistem Tasarımı
Sistemde üç giriş değişkenine göre bir çıkış elde edilmektedir. Yani fotovoltaik güç üretimine, müşteri talep güç tüketimi, elektrik fiyat girişine bakarak, çıkışa göre yük devreye alma, devreden çıkarma yapılarak istenilen sonuçlar elde edilmektedir.
İlk olarak Arduino Mega üzerinde çalışmalar yapılmış ve Arduino, ZigBee, RTC ve LCD’ye bağlanarak düzenek kurulmuş ve sistemin çalıştırıldığı yazılımlar Arduino Mega’da gerçekleştirilmiştir.
ZigBee geliştirme kiti hakkında araştırma yapılmış, ZigBee-protokolü ile üç yükün kontrol edildiği program yazılmış ve alıcı&verici belirlenerek sinyal gönderip alma işlemi gerçekleştirilmiştir. Daha sonra Arduino ile bağlantısı sağlanmış ve sistemde uzaktan yük kontrolü gerçekleştirilmiştir. Bu yüklerin daha verimli kullanılması yönünde Talep Tarafı Yönetimi ile yükü devreye alma, çıkarma ve dolayısıyla öteleme işlemine göre yazılım ile kontrol gerçekleştirilmiş ve tasarruf sağlandığı ortaya konulmuştur. Tüm sistem kurulduktan sonra Arduino’da yazılım için sistem üç giriş bilgisine göre bir çıkış bilgisi verecek şekilde tasarlanmıştır.
Bu tezde tanıtılan girdi değişkenleri, aşağıda açıklanmıştır:
i. FV elektrik üretim: Sistem 1,25 kWp şebekeye bağlı fotovoltaik sistem üzerinde uygulamaya konulmuştur ve üretilen güç ölçülerek gün boyunca kaydedilmiştir.
ii. Müşteri talep gücü: Herhangi bir gün içinde 24 saat boyunca ölçülen güç değeri elektrik şirketinden elde edilmiştir. Bir değişken olarak müşteri talebi gücünün seçilmesinin nedeni şebekedeki pik yükü azaltmaktır.
iii. Elektrik fiyatı: Türkiye'de 2016 yılındaki Perakende Elektrik Tarifeleri Tablosu kullanılmıştır. Üç mesken tarifesi gündüz, gece ve puant tarife olarak ele alınmıştır.
Şekil 4.3. Gerçekleştirilen projenin tamamının görünümü
Mikro şebeke eğer ana şebekeye bağlanacaksa ve üretim miktarı küçükse şebekeden enerjiyi aldığı fiyatla, şebekeye vermiş olduğu enerjinin fiyatı arasında fark bulunmaktadır. Eğer mikroşebekenin kendi ürettiğini kendi tüketme oranı yüksek tutulursa daha az maliyetle işletilmiş olacaktır. Bunun için de şebekedeki belirsizliklerin azaltılması ve enerji yönetiminin yapılması gerekmektedir. Türkiye’de elektrik enerjisi fiyatları her 3 ayda bir Enerji Piyasası Denetleme Kurulu (EPDK) tarafından belirlenip, web sitesinde yayınlanmaktadır. 2016 yılının ikinci çeyreğinde belirlenen fiyatlar Şekil 4.4’te gösterilmiştir.
Şekil 4.4. 2016 Türkiye tarifelerine göre elektrik enerjisi fiyatları
Tarifeler:
Gündüz: 06.00-17.00 arasındaki 11 saatlik süreyi kapsar. Birim fiyat tek zamanlı tarifeye çok yakındır. Tarifedeki en uzun zaman dilimidir.
Puant: 17.00-22.00 arasında 5 saatlik süreyi kapsar. Birim fiyat gündüze göre %50 daha pahalıdır. Tarifenin en kısa zaman dilimidir.
Gece: 22-00-06.00 arasında 8 saatlik süreyi kapsar. Birim fiyat gündüze göre %62 daha ucuzdur. En ucuz fiyatlı zaman dilimidir.
i. Giriş değişkeni: FV elektrik üretimi
Birbirine seri bağlı 5 adet 250 Wp’lık panelden oluşan çatı tipi güneş enerjisi sistemi kurulumu Şekil 4.5’te verilmiştir. Sistem şebeke bağlantılı olarak çalıştırılmıştır. Buradaki üretim değerleri şebeke bağlantılı çalışan inverterdeki veri depolama ünitesinden alınmıştır.
Bu değerler 18.04.2016 tarihinde inverterden alınmış üretim değerleridir. Veriler, her 15 dakikada bir alınan anlık değerlerdir. Bu değerler EK-3 te gösterilmiştir.
Şekil 4.5. Sistem için kullanılan güneş panelleri ii. Giriş değişkeni: Tüketici talep gücü
Tüketici talep gücü tüketimin ölçümü sonucu elde edilen değerlerden oluşmaktadır ve EK-4’te sunulmuştur.
Sistemde öncelikle öteleme olmadan önce FV sistemden dolayı Şekil 4.6’da görüldüğü gibi tepe güçte azalma gözlenmiştir. Tezde kullanılan yükler öteleme yapılarak tasarlanan sistemde Şekil 4.7(a)’daki fark senaryolu eğri, fark tüketimin daha da aşağıya çekilmesini sağlamıştır. Tezde kullanılan yükler düşük güçlü olduğundan bu kısımda maliyet ve tepe gücünde ortalama %6 azalma görülmüştür (Çizelge 4.1). Daha büyük güçlü yüklerde bu ortalamanın daha fazla olması ve yük kaydırma ile büyük güçle çalışan firmalarda gözle görülebilir bir tüketim azalması ve maliyet düşüşü öngörülmektedir.
Şekil 4.6. Yük öteleme olmadan önceki durum
Öteleme olmadan önce sistem tasarımında elde edilen fark tüketimi gösteren yeşil renkle çizilen eğri 800W’dan başlayıp 1700W değerine çıkarken, öteleme olduktan sonra Şekil4.7(b)’de görüldüğü gibi yeşil renkli eğri 700 W’dan başlayıp 1500 W değerine düşürüldüğü görülmektedir. Böylelikle tepe gücünün azaltıldığı görülmüştür.
(a)
(b)
Şekil 4.7. (a) Yük öteleme olduktan sonraki durum (b) tek başına öteleme eğrisi Çizelge 4.1. Çalışma sonucunda elde edilen tüketimde ve maliyette azalma
Sistem aynı şekilde üretim ve tüketim değerlerinin değiştiği diğer aylara göre uygulandığında ise Şekil 4.8’deki gibi kırmızı eğriler öteleme olmadan önce FV kullanarak başlangıçta fark tüketimi azaltılan eğrilerdir. Yeşil eğriler sistemde öteleme olduktan sonra yani yük kaydırma ile tepe yükün azaltıldığı, tepe güç değerinin azaltıldığı eğrilerdir. Şekil 4.8’deki farklı aylardaki üretim ve tüketim değerleri kullanılarak sistemde yaklaşık %15’lik maliyet ve tepe güçte azalma gözlenmiştir. Bu eğrinin daha aşağılara çekilmesi ve maliyetin ve tepe gücün daha fazla azaltılması için daha büyük
-500 0 500 1000 1500 2000 00 :1 5 01 :4 5 03 :1 5 04 :4 5 06 :1 5 07 :4 5 09 :1 5 10 :4 5 12 :1 5 13 :4 5 15 :1 5 16 :4 5 18 :1 5 19 :4 5 21 :15 22 :4 5
Fark Senaryo+Üretim
Fark Senaryolu 06-17 Gündüz 17-22 Puant 22-06 Gece senaryoların sonucunda ki yük (W) senaryoların sonucunda ki yük*birimfiyat (kW/tl) Yüzdelik Oran
00:15 796,6 0,170 0 796,6 0,170 746,6 0,160 6% 00:30 873,3 0,187 0 873,3 0,187 823,3 0,176 6% 00:45 813,3 0,174 0 813,3 0,174 763,3 0,163 6% 01:00 740,0 0,158 0 740,0 0,158 690 0,148 7% 01:15 630,0 0,135 0 630,0 0,135 630 0,135 0% 01:30 776,6 0,166 0 776,6 0,166 726,6 0,155 6% 01:45 693,3 0,148 0 693,3 0,148 693,3 0,148 0% 02:00 573,3 0,123 0 573,3 0,123 573,3 0,123 0%
TARİH/SAAT TUKETIM (W) URETIM (W)
Fark*birim fiyat(üretim+y ük öteleme) (kW/tl) Fark (W) Fark*birim fiyat (kW/tl)
güçlü yükler kullanılarak farklı sonuçlar elde edilebilir. Sonuçta bu sistem büyük güçlü fabrikalar için maliyet, pik yük, tepe güç azaltılması gibi konularda çok önemli bir aşamaya gelebilir.
(a)
(b)
(c)
Şekil 4.8. Farklı aylarda öteleme olmadan ve öteleme olduktan sonra sistemde pik yük azalması, tepe
Bu tez, belirtilen üç giriş değişkeninin 15 dk’lık periyotlarla dışarıdan alınması ve Arduino’da saklanması üzerine kurgulanmıştır. Ancak, akıllı şebeke altyapısının henüz ülkemizde uygulama bulmamış olmasından dolayı, tüketici talep gücü verileri için gerçek zamanlı veriler yerine daha önceden elde edilmiş olan değerler kullanılmış, FV sistemden elde edilen güç değerleri de aynı gün için elde edilen veriler olduğundan önerilen algoritmanın doğruluğu bu şekilde test edilmiştir. Bu değerler her 15 dakikada bir algoritma tarafından sorgulanmış ve buna göre gerekli aksiyonlar alınmıştır. Ancak algoritmanın işleyişine göre her 15 dakikalık sürede çıkışta değişikliğe gidilmesi şart değildir. Örneğin, yük olarak bir çamaşır makinası düşünüldüğünde en az 2 saatte bir aksiyon alınması mümkündür. Yani yükün cinsine veya çalışma biçimine göre de algoritmada gerekli düzenlemelerin yapılması ve kullanıcının konforunun da düşünülmesi gerekmektedir. Esnek yüklerin de çalışma gecikmesinin bir sınırı olmalı, kullanıcı konforundan fazla ödün verilmemesi böylece sağlanmalıdır.
Bu tez çalışmasında, evde elektrikli cihazların çalışması için bulanık mantık yöntemi, herhangi bir zamanda tüketici talebine bağlı olarak cihazlar tarafından tüketilmek üzere yüzde toplam gücün belirlenmesi için kullanılmıştır. Bu her tüketicinin seçilen esnek yüklerin çalışmasını geciktirerek kendi stratejisini uygulayıp mevcut yük talebini azaltması için yapılır.
Aynı sistem, aynı giriş değerleri 15 dakika arayla bulanık mantık denetleyiciye uygulandığında elde edilen sonuçlar çalışmanın etkinliğini kanıtlamaktadır. Sonuçlara bakıldığında pik yükünün azaldığı ve tasarruf sağlandığı görülmektedir.
Şekil 4.9’daki güneşli bir gün için sonuçlar çıkış değeri ile giriş değerleri arasında mantıklı bir bağlantı olduğunu göstermiştir. Örneğin, sonuçlar incelendiğinde sabah erken saatlerde elde edilen yüzde güç çıkışının yaklaşık %25 olduğu görülmüştür. FV güç üretimi bu sürede düşük olduğu için sonucun mantıklı olduğu görülebilir. Puant saatlere doğru elektrik fiyatı yüksek olduğu için sonuç en düşük değerini alarak yüklerin ötelenmesi şeklinde algoritmada karar alınmaktadır. Çünkü FV gücü de düşük ve müşteri talep gücü yüksektir. Bu sebeple, pik yüklerin azaltılması, FV gücün daha etkili şekilde kullanılması ve tüketicinin elektrik faturasında tasarruf sağlanması gibi sonuçlara ulaşıldığı görülmüştür.
(a) (b)
(c) (d)
Şekil 4.9. Güneşli bir gün için (a) FV güç profilleri, (b) müşteri talep gücü, (c) elektrik fiyatı, (d)
24 saat boyunca elde edilen elektrikli ev aletleri yüzde gücü
Şekil 4.10’da ise bulutlu bir gün için giriş değerlerine göre elde edilen çıkış değerlerinin mantıklı sonuçlar verdiği görülmüştür. Güneşin en yüksek olduğu saatlerde yüzde elektrik gücü en fazla yüzdeye sahipken, puant tarifenin olduğu zamanlarda yüzde gücü %10’a yaklaşan değerler almaktadır. Güneşin en yüksek olduğu saatlerde güneşli bir güne göre bulutlu günlerde çıkıştaki yüzde elektrik gücünün daha az olduğu görülmektedir.
(a) (b)
(c) (d)
Şekil 4.10. Bulutlu bir gün için (a) FV güç profilleri, (b) müşteri talep gücü, (c) elektrik fiyatı, (d) 24
5.SONUÇLAR VE ÖNERİLER