İÇİNDEKİLER
KISALTMALAR ii
TABLO LİSTESİ iii
ŞEKİL LİSTESİ iv
ÖZET v
SUMMARY vi
1. GİRİŞ 1
1.1. Giriş ve Çalışmanın Amacı 1
2. GÜNEŞ ENERJİSİ 2
2.1. Güneş Enerjisinin Tarihi 2
2.2. Fotovoltaik Sistemlerin Avantajları 3
2.3. Güneş Panellerinin Çalışması 3
2.4. Bir Güneş Panelinin Karakteristiği 3
3. ŞEBEKE ETKİLEŞİMLİ GÜNEŞ ENERJİSİ SİSTEMLERİ 6
3.1. Şebeke Etkileşimli Sistemlerin Genel Yapısı 6
3.2. Maksimum Güç Tarama 7
3.3. Geliştirilen Sistemin Genel Yapısı 9
3.4. Sistemin Çalışması 11
3.5. Sistemin Güç Katının Genel İşleyişi 13
4. SİSTEM BENZETİMİ 20
4.1. Benzetim Sisteminin Kurulması 20
4.2. Benzetim Sonuçları 20
5. SONUÇ 30
KAYNAKLAR 31
KISALTMALAR
DGM : Darbe Genişlik Modülasyonu MGNT : Maksimum Güç Noktası Tarama
TABLO LİSTESİ
Sayfa No
Tablo 3.1. Maksimum güç noktası tarama algoritması ………... 9 Tablo 3.2. Şekil 3.4’de verilmiş olan lojik devrenin doğruluk tablosu ……... 11
ŞEKİL LİSTESİ Sayfa No Şekil 2.1 Şekil 2.2 Şekil 2.3 Şekil 3.1 Şekil 3.2 Şekil 3.3 Şekil 3.4 Şekil 3.5 Şekil 3.6 Şekil 3.7 Şekil 3.8 Şekil 3.9 Şekil 3.10 Şekil 3.11 Şekil 3.12 Şekil 3.13 Şekil 3.14 Şekil 3.15 Şekil 3.16 Şekil 3.17 Şekil 3.18 Şekil 4.1 Şekil 4.2 Şekil 4.3 Şekil 4.4 Şekil 4.5 Şekil 4.6 Şekil 4.7 Şekil 4.8 Şekil 4.9 Şekil 4.10 Şekil 4.11 Şekil 4.12 Şekil 4.13 Şekil 4.14 Şekil 4.15 Şekil 4.16 Şekil 4.17
: Güneş gözelerinin temel yapısı... : 320w 40v 11.4a bir güneş panelinin akım gerilim grafiği... : 320w 40v 11.4a bir güneş panelinin akım-güç grafiği... : Hat etkileşimli güneş enerjisi uygulaması blok şeması... : Maksimum güç noktasının taranması... : MGNT sistemi sinyalleri... : Geliştirilen güneş paneli güç paylaşımı sistemi... : Önerilen sistemin genel yapısı... : Geliştirilen sistemin yarıiletkenli elemanlar ile tasarlanmış hali... : Lojik giriş sinyallerinin elde edilmesi... : Anahtar kapı sinyallerinin elde edilmesini sağlayan lojik devre... : Şekil 3.7’de verilmiş olan devrenin sinyal tablosu... : Evirici çıkışı gerilim şekli... : D1 sürecinde yarıiletken anahtarların konumu... : D2 sürecinde yarıiletken anahtarların konumu... : D3 sürecinde yarıiletken anahtarların konumu... : Çıkış Endüktansının(L3) gerilimi... : Çıkış Endüktansının(L3) akım şekli... : Negatif alternans D1 sürecinde yarı iletken anahtarların konumu... : Negatif alternans D2 sürecinde yarı iletken anahtarların konumu... : Negatif alternans D3 sürecinde yarı iletken anahtarların konumu... : Sistemin giriş sinyalleri... : Sistemin giriş sinyalleri (yakından)... : Yarıiletken anahtarların kapı sinyalleri... : Evirici çıkış gerilimi... : Evirici çıkış gerilimi (yakından)... : Sistem çıkış gerilimi... : Sistem çıkış geriliminin fourier analizi... : Çıkış endüktansının(l3) üzerinden geçen akım... : Çıkış endüktansının(l3) üzerinden geçen akım (yakından)... : Güneş panelinden çekilen akım... : Şebekeden çekilen akım... : Şebekeden çekilen akımın harmonik analizi... : Panel, şebeke ve yük arasındaki güç paylaşımı... : Düşük yükte çalışma durumunda güneş panelinden çekilen akım... : Düşük yükte çalışma durumunda panel, şebeke ve yük arasındaki
güç paylaşımı... : Yüksek yükte çalışma durumunda güneş panelinden çekilen akım. : Yüksek yükte çalışma durumunda panel, şebeke ve yük arasındaki güç paylaşımı... 4 5 5 7 8 9 11 11 12 13 14 15 16 17 17 18 19 20 20 21 21 22 23 23 24 24 25 25 26 26 27 28 28 29 30 30 31 31
Üniversitesi : İstanbul Teknik Üniversitesi
Enstitüsü : Fen Bilimleri
Anabilim Dalı : Elektrik Mühendisliği
Programı : Elektrik Mühendisliği
Tez Danışmanı : Yrd. Doç. Dr. Deniz YILDIRIM
Tez Türü ve Tarihi : Yüksek Lisans – Ekim 2005
ÖZET
GÜNEŞ ENERJİSİ SİSTEMLERİNDE GÜÇ PAYLAŞIMI
Ender KASIM
Bu çalışmada fotovoltaik enerji kaynaklarının daha verimli kullanılmasını sağlayacak bir güç elektroniği devresi topolojisi önerilmiştir. Önerilen devre dağıtılmış güç üretimi uygulamalarında kullanılan güneş panellerinin ürettiği enerjinin herhangi bir depolama aygıtı kullanılmaksızın hedef yüke aktarılmasını sağlamaktadır. Maksimum güç noktası tekniğiyle güneş paneli optimum performansta çalıştırılmış ve yüksek frekansta darbe genlik modülasyonu kullanılarak şebeke ile panel arasındaki güç paylaşımı sağlanmıştır. Bakım gerektirmeyen, uzun ömürlü ve yüksek miktarda enerji tasarrufu sağlayıp kurulum maliyetini hızlı bir şekilde amorti edebilecek bir sistem elde edilmiştir. Devrenin çalışması bilgisayar tabanlı benzetim programı ile de incelenmiş ve benzetim sonucunda elde edilen değerlerin beklenen değerler ile örtüştüğü gözlemlenmiştir.
Anahtar Kelimeler: Fotovoltaik, Güneş Paneli, Maksimum Güç Noktası, Güç Paylaşımı
University : Istanbul Technical University Institute : Institute of Science and Technology Science Programme : Electrical Engineering
Programme : Electrical Engineering Supervisor : Asst. Prof. Deniz YILDIRIM Degree Awarded and Date : MS – October 2005
ABSTRACT
POWER SHARING IN SOLAR ENERGY SYSTEMS
Ender KASIM
In this study, a novel power electronics circuit topology is proposed to increase efficiency of the usage of photovoltaic solar arrays. The proposed circuit provides means to channel photovoltaic energy provided by distributed generation power arrays directly to the load without employing any energy storage equipment. The solar arrays operate at their optimum working point by using a maximum peak power tracker. The load sharing between the utility and the panel is performed by a high frequency switching pulse width modulation circuit. In this way, a maintenance-free, highly efficient and self amortising system is obtained. The system is simulated and satisfactory results were obtained.
Keywords: Photovoltaic, Solar Panel, Maximum Peak Power, Load Sharing Science Code: 608.01
1. GİRİŞ
1.1 Giriş ve Çalışmanın Amacı
Doğal Enerji kaynaklarındaki hızlı azalma ve enerjinin maliyetindeki artış, fotovoltaik enerjinin gelecek vaat eden bir alternatif kaynak olarak sunulmasını da beraberinde getirmiştir. Rahatça erişilebilen, çevreyi kirletmeyen, dünyanın her yerinde bulunan ve dönüştürülebilir bir enerji çeşidi olması fotovoltaik enerjinin en önemli avantajlarıdır. En büyük dezavantajı ise kurulum maliyetinin yüksek olması ve enerji çevrim veriminin göreceli olarak düşük olmasıdır. Bu dezavantajların üstesinden gelmek için güneş panellerinin olabildiği kadar yüksek verimde ve maksimum güçte kullanılması gerekmektedir. Üretim teknolojilerinin gelişmesiyle, güneş panellerinin fiyatının sürekli bir şekilde azalması beklenmektedir. Bu sayede fotovoltaik enerji kişisel ve endüstriyel çözümler için oldukça çekici bir enerji kaynağı olacaktır [11].
İnsan hayatının döngüsel doğasından dolayı, şebekedeki yük miktarı da döngüsel kalmaktadır. İnsanların uyanık olduğu ve çalıştığı gündüz zamanı süresince elektrik ihtiyacı çok yüksek, insanların uyuduğu gece zaman diliminde ise elektrik ihtiyacı çok düşük olmaktadır. Aradaki bu farkın karşılanabilmesi için bir çok elektrik üretim santralinin, üretim fiyatına bakılmaksın, gece vaktinde boşta, puant yük zamanında ise tam yükte çalışması gerekmektedir [15].
Bu çalışmanın amacı, şebekeye bağlı çalışan sistemlerde, şebeke ile güneş panelleri arasındaki güç paylaşımını optimum bir şekilde gerçekleştirerek enerji tasarrufu sağlayacak yeni bir güç elektroniği devresinin tasarlanmasıdır.
2. GÜNEŞ ENERJİSİ
2.1 Güneş Enerjisinin Tarihi
Güneş enerjisi milyarlarca yıl önce de mevcuttu. Güneşin içerisinde bu güne kadar hala bitmemiş olan bir reaksiyon gerçekleşmektedir. İki hidrojenin bir helyum oluşturması esnasında ortaya çıkan ışıma enerjisi dünyaya kadar ulaşmaktadır. Ozon tabakası tarafından çoğu tutulan bu enerji dünya üzerine ortalama metrekare başına bir kilowatt (1 kW) güç bırakmaktadır. Dünyanın yüz ölçümü yaklaşık olarak 51 Milyon Kilometrekare olduğuna göre basit bir hesapla güneş dünyaya her an 254.5 Milyon gigawatt (254.500.000 GW) güç bırakmaktadır. Güneşin üç gün içerisinde dünya üzerine bıraktığı ışıma enerjisinin toplamı, bütün fosil yakıt rezervlerinin toplamına denktir [13].
Pratikte ilk güneş panelinin kullanıma sunulması için, Edmond Bacquerel'in 1839'da fotovoltaik etkiyi keşfetmesinin üzerinden 115 sene geçmesi gerekmişti. New Jersey, Murray Hills'deki Bell laboratuarlarında Chapin tarafından üretilmiş olan bu ürün, ışıma enerjisinin %4'ünü elektrik enerjisine çevirebiliyordu. Bir sene içerisinde bu oran önce %6'ya sonra da %11'e çıkartıldı [12].
Bu tip güneş gözeleri ilk ciddi sınavlarını uzayda verdiler. 1958'in başlarından itibaren Amerika'nın ve Rusya'nın bütün uzun süreli uzay operasyonların Güneş gözeleri tarafından beslenmekteydi. Güneş gözelerinin yüksek üretim maliyetleri, uygulanma alanlarını uzayla kısıtlamıştı [12].
Güneş panellerinin yer yüzüne geri dönüşü 1973 yılındaki OPEC petrol ambargosu ile gerçekleşti. Petrol fiyatlarında oluşan artış, ülkeleri alternatif enerji arayışına yönlendirdi. Bu senelerde yapılmış olan yatırımlar sayesinde, güneş panellerinin enerji çevrim verimleri üç katına çıkartılmış, üretim maliyetleri ise yirmi kata yakın indirilmiştir [12].
2.2 Fotovoltaik sistemlerin avantajları
Fotovoltaik güneş enerjisi yenilenebilir enerjiler arasında en kolay elde edilebileni ve en temizidir. Hareketli bir parçası olmadığından dolayı fazla bir bakım gerektirmez. Güneş panellerinin ömürleri 20-30 yıla kadar varabilir. Dağıtılmış bir şekilde de güneş enerjisinden faydalanılabilir. Bu sayede her kullanıcı kendi elektriğini temiz bir şekilde elde edebilir. Kullanıcının ihtiyacı olan tek şey uygun boyutta bir güneş paneli ve uygun bir DA-AA çeviricidir [9].
Özellikle şehir dışındaki alanlarda güneş enerjisinin kullanımı çok daha ekonomik olmaktadır. Örneğin bir tepedeki telekomünikasyon vericisinin ihtiyacı olan elektriği sağlamak için tepeye elektrik hattı çekilmesi, oldukça masraflı bir işlemdir. Fakat bu sistem tamamen güneş enerjisi ile çalıştırılırsa hem hat taşıma hem de elektrik ücreti ödenmemiş olunur [9].
2.3 Güneş Panellerinin Çalışması
Şekil 2.1 de sıradan bir güneş gözesinin diyagramı gösterilmektedir. En basit yöntemle bakıldığında, bir güneş gözesi, ışığa duyarlı ve dışarıya bağlantıları olan bir jonksiyon diyodundan başka bir şey değildir. Fotonlar gözeye ön yüzeyden girmekte ve enerjileri yarı iletken malzemenin bant genişliğinde olanları yarıiletken tarafından absorbe edilmektedir. Absorbe edilen enerji tarafından yaratılan elektron boşlukları, azınlık taşıyıcıları tarafından değerlendirilip pn jonksiyonunda oluşmuş olan elektrik alan tarafından itilirler. Şekil 2.1 deki örnekte n tipi emetörde oluşan deliklerden p tipi baza akış gözükmektedir. Bu akış sayesinde de kutuplanma gerçekleşmektedir [16].
2.4 Bir Güneş Panelinin Karakteristiği
Güneş panellerinin nominal güçleri “bir güneş” durumu altında geçerlidir. “Bir güneş” birimi metrekare başına 1kW ışıma enerjisine karşılık gelir. Yani 480W’lık bir güneş paneli, havanın açık olduğu ve güneşin metrekare başına 1kW ışıma enerjisi bıraktığı bir durumda 480W verebilir.
Şekil 2.1: Güneş gözelerinin temel yapısı [16]
Ayrıca bu nominal güç belirli bir gerilimde alınabilecek güçtür. Güneş panelleri maksimum güç noktasına gelene kadar bir gerilim kaynağı, maksimum güç noktasını geçince de bir akım kaynağı gibi çalışırlar. Kısa devre edildiği durumda bile güneş panelinden çekilebilecek olan akım sabittir [6]. Bu akım değeri de plaka değerleri ile birlikte belirtilir.
Şekil 2.2 ve Şekil 2.3’de BP marka 320W’lık bir güneş panelinin karakteristik eğrileri verilmiştir.
Şekil 2.3 de görüldüğü gibi güneş panelinden çekilen güç sadece belli bir akım değerinde maksimum noktasına ulaşmaktadır. Panel üreticileri panellerin çalışma gerilimlerini ve akımlarını aküleri şarj edecek bir şekilde tasarlamışlardır. Örnekte verilmiş olan panel, 3 tane seri bağlanmış 12V’luk aküyü şarj etmek için tasarlanmıştır.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0.00 0.80 1.60 2.40 3.20 4.00 4.80 5.60 6.40 7.20 8.00 8.80 9.60 10.40 11.20 Akım (A) G e ri li m ( V )
Şekil 2.2: 320W, 40V, 11.4A bir güneş panelinin akım gerilim grafiği
0 50 100 150 200 250 300 350 0.00 0.80 1.60 2.40 3.20 4.00 4.80 5.60 6.40 7.20 8.00 8.80 9.60 10.40 11.20 Akım (A) G ü ç ( W )
3. ŞEBEKE ETKİLEŞİMLİ GÜNEŞ ENERJİSİ SİSTEMLERİ.
3.1 Şebeke etkileşimli sistemlerin genel yapısı
Güneş panellerinin, uygun bir güç elektroniği devresi sayesinde şebekeye bağlanması daha önce [17, 18, 19, ve 20] da denenmiş ve başarıya ulaşmıştır. Ancak bu tip uygulamalarda kullanıcının şebekeye elektrik satabileceği öngörülmüştür. [17, 18, 19, ve 20] de verilmiş olan çalışmaların temel yapısı Şekil 3.1 de blok diyagram olarak belirtilmiştir. Buna göre güneş panelleri ile elde edilen enerji, enterkonekte sisteme bir diğer enerji kaynağı gibi eklenmektedir.
Şekil 3.1: Hat etkileşimli güneş enerjisi uygulaması blok şeması [17]
Bu uygulamada güneş paneli tarafından sağlanan DA enerji, bir evirici ile yüksek frekanslı AA’ya çevrilip, yüksek frekansta aktarma sağlayabilen bir transformatör üzerinden izole edilerek istenilen seviyeye getirilir. Bu noktadaıki evirici aynı zamanda MGNT işlevi de görmektedir. Transformatörün çıkışında tekrardan DA’ya çevrilen enerji, şebekeyle senkronize çalışan bir evirici tarafından şebekeye aktarılır. Buradaki çeviricinin frekansının, fazının ve gerilim genliğinin şebeke ile aynı olması gerekmektedir.
Bu tip uygulamalarda bir çeşit kojenerasyon mevcuttur. Üretilen elektrik yük ihtiyacından fazla olduğunda enerji akış yönü değişmekte ve kullanıcı, şebekeye elektrik sağlamaktadır.
3.2 Maksimum Güç Tarama
İkinci bölümde belirtildiği gibi güneş paneli üreticileri panelleri aküleri şarj edecek bir şekilde tasarlamışlardır. Fakat bu durum diğer güneş paneli uygulamalarında sorun çıkarmaktadır. İdeal bir güç kaynağı, plakasındaki gücü her durumda verebilmelidir. Güneş panelinin önüne uygun bir güç elektroniği devresi yerleştirilerek, güneş panelinin karakteristiği ne olursa olsun, “bir güneş”’lik ışıma miktarı altında güneş panelinin çıkışından nominal gücünü elde etmek mümkündür. Ayrıca, bu devreler güneş paneline düşen ışın şiddeti ve açısının değişmesi durumunda da, panelin o anki ışıma miktarı için verebileceği en yüksek gücü vermesini sağlar. Bu tip devrelere “Maksimum Güç Noktası Tarayıcısı” denir. [18]’de de belirtildiği gibi, çağdaş şebeke etkileşimli güneş paneli uygulamalarında maksimum güç noktası tarama bir zorunluluk haline gelmiştir.
Maksimum güç noktası tarayıcısının temel amacı, güneş panelinin her zaman o anki ışıma durumuna göre verebileceği en yüksek güçte çalışmasını sağlamaktır. Bunu sağlamak için değişik algoritmalar mevcuttur. Geliştirilen sistemde [5]’de kullanılmış olan maksimum güç noktası tarama tekniği kullanılmıştır.
Şekil 3.2 de belirtilen Akım-Güç eğrisi lineer olmadığından dolayı, konvansiyonel yollarla kontrol mümkün değildir. [5]’de belirtilmiş olan tarama sisteminde basit bir algoritma kullanılmıştır (Tablo 3.1).
Algoritmanın iki kontrol girişi bulunmaktadır. Birinci giriş (A Parametresi) ölçülen gücün, en son ölçüme göre değerinin durumudur. Ölçülen güç en son ölçümden yüksekse lojik 1 alçaksa lojik 0 değerini alacaktır. İkinci giriş (B Parametresi) ise sistemin en son yaptığı hareketi belirler. En son yapılan hareket darbe genliğinin arttırılması ise lojik 1 azaltılması ise lojik 0 değerini alacaktır.
Pn: Ölçülen güç Pn-1 :Bir önceki adımda ölçülen güç Qn-1 : Sistemin en son yaptığı hareket
(1)
Tablo 3.1: Maksimum Güç Noktası Tarama algoritması
Ölçülen gücün en son ölçüme göre durumu An
Sistemin en son yaptığı hareket Bn Çıkış Qn 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1
Q Çıkışının lojik 1 olması durumu darbe genliğinin %1 oranında arttırılacağını, lojik 0 olması durumu ise darbe genliğinin %1 oranında azaltılacağını belirtir. Bu işlem 50Hz’lik bir saat sinyali ile 20ms’de bir yeniden tekrarlanır. Bu sayede şebeke geriliminin her periyodunda maksimum güç durumu gözden geçirilmiş olur.
3.3 Geliştirilen Sistemin Genel Yapısı
Önerilen sistemin temel prensibi, güneş paneli tarafından üretilen enerjinin tamamen ve sadece yüke aktarılmasıdır. Şebekeye doğru bir geri akış mevcut olmamakla birlikte, güneş panellerinin gücü yükü beslemeye yetmediği durumlarda sistem şebekeden destek alacaktır. Şebeke ile güneş panelleri paralel bağlı olmayacak ve bu sayede şebekede oluşabilecek herhangi bir anlık bozulma veya darbeden sistem etkilenmeyecektir.
Güneşin parlaklığı ve panele düşme açısı değiştikçe, güneş panelinden çekilebilecek olan maksimum güç de değişmektedir. Ayrıca yük değerleri de sürekli olarak değişebileceğinden dolayı şebeke ile paneller arasındaki güç paylaşım oranının sürekli bir şekilde değişmesi gerekebilir. Bu güç paylaşım oranı maksimum güç tarama ünitesi tarafından belirlenir. Eğer güneş panelinin gücü bütün yüke yetecek miktardaysa sistem bütün gücü güneş panelinden alır. Güneş panelinin gücünün yüke göre az kaldığı zamanlarda ise sistem yükü şebeke destekli beslemeye başlar. Bu sayede ana güç güneş panelinden, yardımcı güç de şebekeden sağlanmış olur.
Şebeke destekli çalışma, yüksek frekansta anahtarlama ile yükün şebeke ve güneş paneli arasında paylaşılmasıyla gerçekleşir. Bunu sağlamak için yüksek frekansta çalışabilen yarıiletken anahtarlar kullanılır. Şebeke devredeyken güneş paneli yarıiletken anahtarları tamamen kesimde, güneş paneli devredeyken şebeke yarıiletken anahtarı tamamen kesimdedir. Bu geçişin yüksek frekansta gerçekleştirilmesi sayesinde sistem çıkışında şebekeden çekilen güç ile güneş panelinden çekilen güç katıştırılmış olarak elde edilir.
Geliştirilmiş olan sistemin genel yapısı ve yarıiletken anahtarlar kullanılarak tasarlanmış şekilleri Şekil 3.4, Şekil 3.5 ve Şekil 3.6’da belirtilmiştir
Şekil 3.4: Geliştirilen güneş paneli güç paylaşımı sistemi
Şekil 3.5: Geliştirilen sistemin genel yapısı
Şekil 3.6: Geliştirilen sistemin yarıiletkenli elemanlar ile tasarlanmış hali
3.4 Sistemin çalışması
Sistemden ölçülen dört temel veri mevcuttur. Bunlar: 1- Güneş Paneli akımı (Ig)
2- Güneş Panelinin gerilimi (Vg)
3- Çıkış Gerilimi (Vo)
4- Şebeke Gerilimi (Vs)
Güneş paneli akımı ve güneş paneli gerilimi maksimum güç tarama sisteminde güneş panelinin anlık gücünün tespiti için kullanılmaktadır. Bu iki giriş sayesinde MGNT devresi tarafından MGNT sinyali elde edilir. Şebeke geriliminin ölçülmesinin sebebi ise sistem çıkışının şebeke ile eş zamanlı çalışmasını sağlamaktır. Buradan okunan değer ile 50Hz frekansa sahip bir kare dalga elde edilir. Sistemin çıkış geriliminden alınan örnekleme, geri besleme sisteminin bir parçasıdır. Geleneksel sinüs/testere dişi
Vs Vg C1 L2 C2 QAC Q3 Q4 Q2 Q1 L3 C3 V0 Vf
.
.
.
.
belirtilmiş lojik devreden geçirilerek devredeki yarıiletken anahtarların kapı sinyaller elde edilir.
Şekil 3.6: Lojik giriş sinyallerinin elde edilmesi
Tablo 3.2: Şekil 3.7’de verilmiş olan lojik devrenin doğruluk tablosu 50Hz DGM MGNT Q1 Q2 Q3 Q4 QAC 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0
Şekil 3.8: Şekil 3.7’de verilmiş olan lojik devrenin sinyal tablosu
Tablo 3.2’ye göre güneş paneli eviricisinin çıkışı her zaman şebeke sinyali ile aynı polaritede kalacak ve AC anahtar iletimde iken diğer hiçbir anahtarın iletimde durmasına izin verilmeyecektir. DGM sinyali sisteme iki parçaya bölünmüş halde gelecektir. Maksimum güç tarama sinyali etkin olduğu sürece güneş paneli devrede olacak, DGM sinyalinin MGNT sinyalinden uzun olması durumunda ise kalan süre boyunca AC anahtar açık kalacak ve bu sayede yüke istenen enerji gönderilmiş olacaktır.
3.5 Sistemin Güç Katının Genel İşleyişi
Sistemin güç katının ayrıntılı bir çizimi şekil 3.5 de verilmiştir. Şebekenin pozitif ve negatif alternansları için sistemi iki simetrik parçaya ayırıp inceleyebiliriz. Pozitif alternans esnasında çıkış filtresinin girişindeki gerilim şekli (Vf) Şekil 3.9’de
belirtildiği gibi olacaktır.
Şekil 3.9: Evirici çıkışı (Vf) gerilim şekli
D1, D2 ve D3 sırasındaki anahtar konfigürasyonu Şekil 3.10 Şekil 3.11 ve Şekil 3.12
Şekil 3.10: D1 süresince yarıiletken anahtarların konumu
Şekil 3.11: D2 süresince yarıiletken anahtarların konumu
V0
V0 Vf
Şekil 3.12: D3 süresince yarıiletken anahtarların konumu
Pozitif alternans D1 esnasında Q1, Q4 anahtarları iletimde, Q2, Q3, QAC anahtarları ise
kesimdedir. Bu sayede güneş enerjisi yüke aktarılmaktadır. D2 esnasında ise Q1, Q2,
Q3, Q4 anahtarlarının kesime gitmesiyle güneş paneli devreden çıkmakta ve QAC
anahtarı ile şebeke devreye alınmaktadır. D3 esnasında ise Q1, Q3 anahtarları
iletimde, Q2, Q4, QAC anahtarları ise kesimdedir. Bu sayede çıkış endüktansı üzerinde
birikmiş olan enerji serbest geçişi tamamlayarak enerjisini yüke aktarır. Çıkış filtresindeki endüktansın (L3) üzerindeki gerilimin ifadesi:
VL3 = Vf -Vo (2)
olarak gösterilebilir. Şekil 3.13 de çıkış endüktansı (L3) üzerindeki gerilimin dalga
şekli verilmiştir.
İdeal koşullarda şebeke gerilimi ile çıkış gerilimi birbirine eşit olacağından D2
süresince endüktans üzerindeki gerilim sıfırlanacaktır. Dengeli çalışma durumunda endüktans üzerindeki ortalama gerilim değerinin sıfır olması gerekmektedir [1-4]. Buna göre:
D1·(Vg-Vo) = D3·Vo (3)
V0 Vf
Şekil 3.13: Çıkış endüktansının(L3) gerilimi
(3) denklemi Vo’a göre düzenlendiğinde:
(4)
MGNT sisteminin oluşturduğu sinyal süresi (D1) sistemden bağımsız çalışmakta
olduğuna göre çıkış geriliminin değerini, sistemin serbest geçiş süresi (D3) belirler.
Bu çalışma durumunda endüktans üzerinden akması beklenen akım şekli Şekil 3.14’de verilmiştir.
Yük ihtiyacının düşük olduğu durumlarda güneş paneli tek başına yüke enerji sağlayabilecek durumda olacaktır. Bu durumda D2 zamanı kaybolmakta ve D1+D3
süresi bir tam periyoda eşit olmaktadır. Sistem düşük yük ihtiyacın durumunda alçaltıcı tipi bir anahtarlamalı güç kaynağı [1-4] şeklinde çalışmaktadır.
Sistemin negatif alternansında ise anahtarlar Şekil 3.15, Şekil 3.16 ve Şekil 3.17’deki pozisyonlarda bulunmaktadırlar.
Şekil 3.15: Negatif Alternans D1 süresince yarı iletken anahtarların konumu
Şekil 3.16: Negatif Alternans D2 süresince yarı iletken anahtarların konumu
V0
V0 Vf
Şekil 3.17: Negatif Alternans D3 süresince yarı iletken anahtarların konumu
V0 Vf
4. GELİŞTİRİLEN SİSTEMİN BENZETİMİ
4.1 Benzetim Sisteminin Kurulması
Benzetimde maksimum güç noktası 400V 6.3A’de olan bir güneş paneli ile şebekenin beraber 10 Ohm’luk rezistif bir yükü beslemesi gösterilmiştir. Sistemin anahtarlama frekansı 20kHz’dir. Şebekeye 5kHz, güneş panelinin önüne de 10kHz köşe frekanslı alçak geçiren LC tipi filtreler yerleştirilmiştir.
Benzetimde ideal koşullar kabul edilmiş, ideal anahtarlar kullanılmış ve anahtarlama kayıpları yok sayılmıştır.
Devrenin simülasyonu OrCAD 9.23’de gerçekleştirilmiştir.
4.2 Benzetim Sonuçları
Şekil 4.1’de sistemin bir periyotta ürettiği giriş sinyalleri görülmektedir. Sinyaller sırayla, MGNT sinyali, DGM sinyali ve 50Hz senkronizasyon sinyalleridir. Şekil 4.2’de aynı sinyallere daha yakından bakılmaktadır.
Şekil 4.2: Sistemin giriş sinyalleri yakından
Şekil 4.2 de DGM sinyali başlangıçta MGNT sinyalinden daha düşük genişlikte olmasına rağmen, zamanla genişlik olarak MGNT sinyalini geçmektedir. Bu durum Şekil 4.3’de de gözlenebilir. Bu şekilde sinyaller sırasıyla QAC, Q1, Q2, Q3 ve Q4
anahtarlarının kapı sinyalleridir. Görüldüğü gibi 0.2ms ile 0.8ms arasında DGM sinyalinin genişliği MGNT sinyalinden az olduğundan dolayı, AC anahtara hiçbir sinyal gitmemektedir. Hatta güneş paneli çıkışındaki eviriciye giden sinyaller bile DGM sinyali ile sınırlandırılmış durumdadır. 0.8ms den sonra DGM sinyalinin genişliği MGNT sinyalini aştığı için, yani güneş panelinin gücü yetmemeye başladığı için, AC anahtar da devreye girmektedir.
Şekil 4.3: Yarıiletken anahtarların kapı sinyalleri
Şekil 4.4: Evirici çıkış gerilimi
Şekil 4.5, beklendiği gibi Şekil 3.6 ile aynı karakteristiklere sahiptir. Filtrelenmiş olan sistemin çıkış gerilimi Şekil 4.6’da gösterilmiştir. Görülebileceği gibi sistem çıkışında neredeyse kusursuz bir sinüs şekli elde edilmiştir. Bu şeklin fourier analizi Şekil 4.7’de verilmiştir.
Şekil 4.6: Sistem çıkış gerilimi
1 . 0 H z 3 . 0 H z 1 0 H z 3 0 H z 1 0 0 H z 3 0 0 H z 1 . 0 K H z 3 . 0 K H z 1 0 K H z 3 0 K H z 1 0 0 K H z 0 V 5 0 V 1 0 0 V 1 5 0 V 2 0 0 V 2 5 0 V 3 0 0 V 3 5 0 V
Şekil 4.8 ve Şekil 4.9’de çıkış filtresi endüktansı üzerinden akmakta olan akım gösterilmektedir. Şekil 4.9, Şekil 3.5 ile oldukça yakın sonuçlar vermiştir.
Şekil 4.8: Çıkış endüktansının(L3) üzerinden geçen akım
Şekil 4.10 güneş paneli tarafından çekilmekte olan akımı göstermektedir. Güneş paneli çıkış geriliminin düşük olduğu anlarda gücü karşılayabilmekte, ancak gerilimin yükselmesiyle şebekeden destek almak zorunda kalmaktadır.
Şekil 4.10: Güneş panelinden çekilen akım
Şekil 4.11’da ise şebekeden çekilen akım görülmektedir. Şebekeden çekilen akım üzerinde düşük seviye harmonikler görünmektedir. Bu harmoniklerin analizi Şekil 4.12’de verilmiştir.
Şekil 4.11: Şebekeden çekilen akım F r e q u e n c y 1 . 0 H z 3 . 0 H z 1 0 H z 3 0 H z 1 0 0 H z 3 0 0 H z 1 . 0 K H z 3 . 0 K H z 1 0 K H z 3 0 K H z 1 0 0 K H z I ( V 8 ) 0 A 4 A 8 A 1 2 A 1 6 A 2 0 A
Şekil 4.13: Panel, şebeke ve yük arasındaki güç paylaşımı
Şekil 4.13, Sistemden çekilen gücü göstermektedir. Bu şekilde en üstteki grafik rezistif yük tarafından harcanan aktif güçtür. Onun hemen ardından gelen ikinci grafik ise şebekeden çekilmekte olan aktif gücü simgelemektedir. Üçüncü grafik ise güneş panelinin sisteme sağladığı yardımcı gücü simgeler. Şekil 4.13’de de görüldüğü üzere yaklaşık %50’ye varan bir elektrik enerjisi tasarrufu sağlanmıştır. Üstelik sağlanan bu tasarruf elektriğin pahalı olduğu gündüz saatlerindedir. Güneşin az veya çok olması durumlarında MGNT sistemi sayesinde yine yüksek randıman alınmasını sağlayacak olan bu sistem kendini çok kısa sürede amorti edecektir. Şekil 4.14 ve Şekil 4.15’de düşük yükte çalışma(1kW) gözlemlenmektedir. Şekil 4.14’de görüleceği gibi güneş panelinden çekilen akım şekli sinüs mutlak değeri şeklinde olmakta ve Şekil 4.15’de bütün aktif güç güneş paneli tarafından karşılanmaktadır.
Şekil 4.16 ve Şekil 4.17’de ise yüksek güçte(10kW) çalışma durumu gösterilmiştir. Şekil 4.16’da MGNT sistemi günel panelinden çekilen akımı sınırlamakta ve yükün büyük bir kısmı şebekeden beslenmektedir. Şekil 4.17’de paylaşım oranı
Yük
Şebeke
T i m e 2 0 m s 2 5 m s 3 0 m s 3 5 m s 4 0 m s 4 5 m s 5 0 m s 5 5 m s 6 0 m s - I ( V 9 ) 0 A 1 . 0 A 2 . 0 A 3 . 0 A 4 . 0 A
Şekil 4.14: Düşük yükte çalışma durumunda güneş panelinden çekilen akım
T i m e 2 0 m s 3 0 m s 4 0 m s 5 0 m s 6 0 m s 7 0 m s 8 0 m s 9 0 m s 1 0 0 m s - a v g ( W ( V 8 ) ) - a v g ( W ( V 9 ) ) A V G ( W ( R 1 1 ) ) - 0 . 2 K W 0 W 0 . 2 K W 0 . 4 K W 0 . 6 K W 0 . 8 K W 1 . 0 K W 1 . 2 K W
Şekil 4.15: Düşük yükte çalışma durumunda panel, şebeke ve yük arasındaki güç paylaşımı
Yük
Panel
T i m e 2 0 m s 2 2 m s 2 4 m s 2 6 m s 2 8 m s 3 0 m s 3 2 m s 3 4 m s 3 6 m s 3 8 m s 4 0 m s I ( D 2 4 ) 0 A 2 . 0 A 4 . 0 A 6 . 0 A 8 . 0 A - 1 . 0 A
Şekil 4.16: Yüksek yükte çalışma durumunda güneş panelinden çekilen akım
T i m e 2 0 m s 3 0 m s 4 0 m s 5 0 m s 6 0 m s 7 0 m s 8 0 m s 9 0 m s 1 0 0 m s - a v g ( W ( V 8 ) ) - a v g ( W ( V 9 ) ) a v g ( W ( R 1 1 ) ) 0 W 2 K W 4 K W 6 K W 8 K W 1 0 K W 1 2 K W
Şekil 4.17: Yüksek yükte çalışma durumunda panel, şebeke ve yük arasındaki güç paylaşımı
Yük
Şebeke
5. SONUÇ
Güneş panellerinin daha verimli kullanılmasını sağlayacak bir güç elektroniği devresi topolojisi önerilmiştir. Önerilen devre güneş panellerinin ürettiği enerjinin herhangi bir depolama aygıtı kullanılmaksızın hedef yüke aktarılmasını sağlamıştır. Maksimum güç noktası tekniğiyle güneş paneli optimum performansta çalıştırılmış ve yüksek frekansta darbe genlik modülasyonu kullanılarak şebeke ile panel arasındaki güç paylaşımı sağlanmıştır. Devrenin çalışması bilgisayar tabanlı benzetim programı ile de incelenmiş ve benzetim sonucunda elde edilen değerlerin beklenen değerler ile örtüştüğü gözlemlenmiştir. Devrenin uygulanması ile yüksek miktarda enerji tasarrufu sağlanabilmiştir.
Bakım gerektirmeyen, uzun ömürlü ve yük durumuna göre yüksek miktarda enerji tasarrufu sağlayıp kurulum maliyetini hızlı bir şekilde amorti edebilecek bir sistem elde edilmiştir.
Gelecekte bu çalışmayı ilerletebilecek diğer çalışmalar:
Benzetimin ideal anahtarlar yerine gerçek yarıiletken anahtar modelleri ile gerçeklenmesi
Güneş panellerinden elde edilen güç yükten fazla olduğu durumlarda enerjinin depolanmasını sağlayacak ek bir devre tasarlanması
Şebeke enerjisinin kesilmesi durumunda akü destekli kesintisiz güç kaynağı şeklinde çalışmayı sağlayacak bir devre tasarımı
KAYNAKLAR
[1] Stephen J. Chapman, 1991 “Electric Machinery Fundamentals” 2nd edition, McGraw-Hill Inc.
[2] Mohan, Undeland, Robbins, 1995 Power Electronics, John Wiley
[3] Everett Rogers, March 1999, Texas Instruments Application Note SLVA057 “Understanding Buck Power Stages in Switch-Mode Power Supplies”
[4] 8. R. D. Middlebrook ve S. Cuk, A General Unified Approach to Modeling Switching-Converter Power Stages, International Journal of Electronics, Vol. 42, No. 6, pp. 521–550, June 1977.
[5] Ender Kasım, Mayıs 2003, “Solar Powered Boat”, Lisans Tezi, İ.T.Ü. Elektrik Elektronik Fakültesi, İstanbul
[6] K. Siri, V. Caliskan and C.Q. Lee, April 1993 “Peak Power Tracking in Solar-Powered Parallel Connected Converter Systems,” IEEE Transactions Part-G: Circuits, Devices and Systems, vol. 140, no. 2, pp. 106-116,
[7] http://www.eere.energy.gov/de/solar_electric.html, Amerika Birleşik
Devletleri Enerji Bakanlığı, Dağıtılmış Güç Projesi, Solar Elektrik Bölümü.
[8] M. Wolf 1976, “Historical development of solar cells” pp 38-42 IEEE Press, Newyork
[9] D. S. Shugar 1990, “ Photovoltaics in the Utility Distribution System: The Evaluation of System and Distributed Benefits” 21. PV uzmanları konferansı notları, Kissimmee, Florida
[10] Tsai-Fu Wu 2000, “A Fuzzy- Logic Controlled Single Stage Converter for PV-Powered Lighting System Applications”, IEEE Transactions on Industrial Electronics Vol 47 No2. pp287-296
[11] Chihchiang Hua, Jongrong Lin and Chihming Shen, "Implementation of a DSP controlled Photovoltaic System with Peak Power Tracking",IEEE transactions
[13] http://www.bp.com British Petrol Güneş Panelleri web sayfası
[14] Keith Emery,"The Rating of Photovoltaic Performance", IEEE transactions on electron Devices Vol 46 No10 October 1999
[15] Ahmad Zahedi, "Energy, People Environment" Development of an integrater renewable & energy storage system, an uninterruptible power supply for people and for better environment.
[16] Richard J. Schwartz, “Photovoltaic Power Generation “Proceedings of the IEEE vol 81 No3 March 1993
[17] K. Matsui, I. Yamamoto, S. Hirose, K. Ando and T.Kobayashi, "Utility-interactive photovoltaic power conditioning systems with forward converter for domestic applications", IEEE proc.-Elecro. Power Appl. Vol 147 No. 3 May 2000 [18] S. Saha,V. P. Sundarsingh, "Novel grid-connected photovoltaic inverter", IEEE proc.-Gener. Tansm. distrib. Vol 143, No. 2, March 1996
[19] Ashoka K.S.Bhat and S.B. Dewan, "A Novel Utility Interfaced high-Frequency Link Photovoltaic Power Conditioning System", IEEE transacions on industrial electronics, Vol 35, No. 1, February 1988
[20] Ashoka K.S.Bhat and S.B. Dewan, "Resonant Inverters for Photovltaic Array to Utility Interface",IEEE transactions on Aerospace and Electronic Systems
[21] Yan Hong Lim and D.C. Hamill, "Simple maximum power point tracker for photovoltaic arrays", Electronic Letters 25.05.2000 vol 36 No 11
ÖZGEÇMİŞ
Ender Kasım 1980 yılında İstanbul’da doğdu. İlköğrenimini Özel Ata İlkokulu’nda gerçekleştirdi. 1992 yılında İstanbul Erkek Lisesi’nde ortaokul ve lise öğrenimine başladı. 1999 yılında İstanbul Teknik Üniversitesi Elektrik-Elektronik Fakültesi Elektrik Mühendisliği bölümüne girdi. 2003 yılında mezun olup, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsüne, Elektrik Mühendisliği Yüksek Lisans öğrenimine başladı. İlgi ve araştırma alanları, güç elektroniği, sargılı elemanlar, alternatif enerji kaynakları ve mikrokontrolör destekli devre tasarımıdır.
