KONUTLAR İÇİN, YAKIT HÜCRESİ VE GÜNEŞ PİLLERİ KULLANAN, ŞEBEKEDEN BAĞIMSIZ BİR GÜÇ SİSTEMİNİN TASARIMI VE MODELLEMESİ.

KONUTLAR İÇİN, YAKIT HÜCRESİ VE GÜNEŞ PİLLERİ KULLANAN, ŞEBEKEDEN BAĞIMSIZ BİR GÜÇ SİSTEMİNİN

TASARIMI VE MODELLEMESİ

Şerife ÇAMCI

YÜKSEK LİSANS TEZİ

ELEKTRİK ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ

GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Ekim 2007 ANKARA

Şerife ÇAMCI tarafından hazırlanan KONUTLAR İÇİN, YAKIT HÜCRESİ VE GÜNEŞ PİLLERİ KULLANAN, ŞEBEKEDEN BAĞIMSIZ BİR GÜÇ SİSTEMİNİN TASARIMI VE MODELLEMESİ adlı bu tezin Yüksek Lisans Tezi olarak uygun olduğunu onaylarım.

Yrd. Doç. Dr. M. Timur AYDEMİR ………

Tez Danışmanı, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı

Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği ile Elektrik-Elektronik Anabilim Dalında Yüksek Lisans tezi olarak kabul edilmiştir.

Prof. Dr. İres İSKENDER ……….

Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı, Gazi Üniversitesi

Yrd. Doç. Dr. M. Timur AYDEMİR ……….

Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı, Gazi Üniversitesi

Doç. Dr. Atilla BIYIKOĞLU ……….

Makina Mühendisliği Anabilim Dalı, Gazi Üniversitesi

Tarih:30/10/2007

Bu tez ile G.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Yüksek Lisans derecesini onamıştır.

Prof. Dr. Nermin ERTAN ……….

Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü

Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada orijinal olmayan her türlü kaynağa eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm.

Şerife ÇAMCI

KONUTLAR İÇİN, YAKIT HÜCRESİ VE GÜNEŞ PİLLERİ KULLANAN, ŞEBEKEDEN BAĞIMSIZ BİR GÜÇ SİSTEMİNİN TASARIMI VE

MODELLEMESİ (Yüksek Lisans Tezi)

Şerife ÇAMCI

GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Ekim 2007

ÖZET

Dünyada giderek artan enerji talebi ve artan çevre sorunları, insanlığı temiz enerjiler üzerinde daha yoğun araştırmalar yapmaya zorlamaktadır. Enerji problemine çözüm olarak; yenilenebilir enerji kaynakları olarak adlandırılan güneş, rüzgar, yakıt hücresi, gelgit, jeo-termal yakıt sistemleri v.b. üzerine çalışmalar yoğunlaşarak devam etmektedir. Bu tez çalışmasında, ortalama bir konutun enerji gereksinimini karşılamak için güneş enerjisinden yararlanan, enerjiyi bataryalar ve hidrojen aracılığıyla depolayan, hidrojeni gerek duyulduğunda yakıt hücresi ile yakarak elektrik üreten bir güç sistemi incelenmiştir. Çalışmada, güç gereksiniminden yola çıkarak bu sistemin bileşenlerinin seçimi yapıldıktan sonra her bir bileşenin modeli üzerinde durulmuş, tüm sistemin modeli oluşturulduktan sonra da öngörülen denetim sistemi bu model üzerinde denemek için değişik koşullarda benzetim çalışmaları yapılmıştır. Benzetim sonuçları, bu tür bir sistemin konut enerji gereksinimini karşılamak için kullanılabileceğini göstermektedir.

Bilim Kodu : 905.1.038

Anahtar Kelimeler : Yakıt hücresi, şebekeden bağımsız enerji, fotovoltaik pil Sayfa Adedi : 106

Tez Yöneticisi : Yrd. Doç. Dr. M. Timur AYDEMİR

PHOTOVOLTAIC PANELS

(M.Sc.Thesis)

Şerife ÇAMCI

GAZİ UNIVERSITY

INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

October 2007

ABSTRACT

Increasing energy demand and environmental problems are forcing researchers and scientists for new forms of renewable energy sources. Solar power, wind power, fuel cells, tidal power and geothermal power are among the renewable energy sources that attract the most attention. A stand alone power system to supply the necessary energy for an average house is investigated in this thesis.

The system uses photovoltaic power as the primary source of energy, stores the extra energy in electrochemical batteries as well as in hydrogen, burns the hydrogen when needed in a fuel cell to generate electricity again. First, components of this system were determined based on the power and energy demands. Then each component was modeled and the complete system model was obtained. Finally, a control algorithm was developed and tested for various operating conditions. Simulation results show the system can be used to supply energy for houses.

Science Code : 905.1.038

Key Words : Fuel cell, stand alone energy, photovoltaic cell Page Number : 106

Adviser : Assist. Prof. Dr. M. Timur AYDEMİR

TEŞEKKÜR

Çalışmalarım boyunca değerli yardım ve katkılarıyla beni yönlendiren hocam Yrd.

Doç. Dr. M. Timur AYDEMİR’e, yardımlarını esirgemeyen Yük. Müh. Ahmet Devrim ERDOĞAN’a, deneysel çalışmalarım için olanaklarını kullanmama izin veren Gazi Üniversitesi Temiz Enerji Araştırma ve Uygulama Merkezi’ne, her konuda destek aldığım çalışma arkadaşlarıma ve manevi desteğini esirgemeyen eşim Çağdaş ÇAMCI’ya teşekkürü bir borç bilirim.

Ayrıca bu çalışmada emeği geçen herkese sonsuz teşekkür ederim.

ÖZET...……….……… ………... ...iv

ABSTRACT………...…v

TEŞEKKÜR……….………..…..vi

İÇİNDEKİLER……… …… … .. ………...…….….vii

ÇİZELGELERİN LİSTESİ……….…….……ix

ŞEKİLLERİN LİSTESİ………...…...x

RESİMLERİN LİSTESİ……… ………...xiii

SİMGELER VE KISALTMALAR………... xiv

1.GİRİŞ……… …….………...…..1

2. KAVRAMSAL BİLGİLER……… …...4

2.1. Şebekeden Bağımsız Enerji Sistemleri...………....…...4

2.1.1. Şebekeden bağımsız enerji sistemlerini oluşturan ana üniteler...….8

2.2. Güneş Enerjisi ve Fotovoltaik Piller………...…...9

2.2.1. Fotovoltaik (FV) piller ……….……....….10

2.2.2. FV pillerin yapısı ve çalışma prensibi……… ...….12

2.2.3. FV pilin eşdeğer devre modeli………..….13

2.2.4. FV güneş pili akım gerilim I-V karakteristikleri…… ………...14

2.2.5. Maksimum güç noktası izleyici (MGNİ) devreleri………….….….….19

2.2.6. FV üreteçler (pil, modül, panel)………..………..….23

2.3. Hidrojen Enerjisi ve Yakıt Hücreleri………. …….….26

2.3.1. Hidrojen enerjisi………..….….….26

2.3.2. Yakıt hücreleri………. ……… ………..27

2.3.3. PEM yakıt hücreleri ve eşdeğer devre modelinin çıkarılması….. ...….33

2.4. Sistemde Kullanılan Güç Elektroniği Devreleri……… …..….37

Sayfa

2.4.1. DA-DA yükseltici (boost) çeviriciler………….… …………..…..…....37

2.4.2. DA-DA düşüren senkron (senkron buck) dönüştürücü……..………..39

2.4.3. DA-AA dönüştürücü (evirici)...41

2.5. Enerji Depolama Sistemleri………....……….44

2.5.1. Akü sistemleri... ...44

2.5.2. Hidrojen ile enerji depolama sistemleri……….…..47

2.6. Denetleyiciler………...…….…..53

2.6.1. Şarj denetleyicisi ve şarj kontrolü tasarımı……….……..53

3. SİSTEMİN TASARIMI, MODELLEMESİ VE BENZETİMİ……...…. ……….55

3.1. Şebekeden Bağımsız Güneş-Hidrojen Hibrit Sistemin Genel Modeli…...….55

3.2. Tasarımın Ankara’da Uygulanabilirliği………...56

3.3. Sistemin Tasarımı İçin Gerekli Güç İhtiyacının Tespit Edilmesi………...….57

3.3.1. Batarya hesapları...………..…... …..….58

3.3.2. Sistemde kullanılacak FV panel özelliklerinin seçimi………...60

3.3.3. Seçilen FV modülün I-V karakteristiğinin elde edilmesi …… ………..61

3.3.4. Yakıt pilinin I-V karakteristiğinin elde edilmesi…...………… …...….65

3.4. Denetleyici Tasarımı………..……..…67

3.5. Sistemin Çalışma Kiplerinin Belirlenmesi ve Benzetim Sonuçları …...…….69

4. SONUÇ...……… …… ………...84

KAYNAKLAR………..… …….86

EKLER……… ………...89

EK-1 OST-85 monokristal güneş paneli.… ………..……….90

EK-2 Ballard Nexa 1.2kW yakıt pili...…… ………..……….92

EK-3 EK-3 Benzetimde kullanılan MATLAB-SIMULINK modelleri….………….95

EK-4 FV modül ölçüm sonuçları………..100

ÖZGEÇMİŞ……….. ………106

Çizelge Sayfa Çizelge 2.1. Yakıt hücresi çeşitlerinin karşılaştırılması………..…………...….…....31 Çizelge 2.2. PEM yakıt hücresinin eşdeğer devre modelinin elde edilmek

için kullanılan deneysel sonuçlar………. ……….…..…....34 Çizelge 2.3. Denetleyicinin kontrol adımlarının özeti ……….…….……..…....54 Çizelge 3.1. Türkiye'nin yıllık güneş potansiyelinin bölgelere göre dağılımı ………57 Çizelge 3.2. Sistemin tasarımı için gerekli güç ihtiyacı………..58 Çizelge 3.3. OST 85 monokristal silikon FV pilin teknik özellikleri…..……...…....60 Çizelge 3.4. Ballard Nexa 1.2 kW yakıt pilinin teknik özellikleri…………..……....63 Çizelge 3.5. Yakıt pilinin ölçülen akım-gerilim değerleri……… ………..63 Çizelge 3.6. Sistemin incelenecek olan çalışma modları………..…..…....67

ŞEKİLLERİN LİSTESİ

Şekil Sayfa

Şekil 2.1. Bir şebekeden bağımsız sistemle enerjisini karşılayan konut modeli ……..8

Şekil 2.2. Şebekeden bağımsız FV-yakıt hücresi sisteminin blok diyagramı…...……9

Şekil 2.3. Güneş enerjisinin kullanım alanları… ………10

Şekil 2.4. Fotovoltaik pil……….………...….11

Şekil 2.5. Fotovoltaik pilin yapısı… ………...12

Şekil 2.6. İdeal güneş pili eşdeğer devre modeli……… ……… ………..13

Şekil 2.7. FV pil panelinin doğrudan ayarlanabilen bir yüke bağlanması…… ……..15

Şekil 2.8. FV pil panelin akım-gerilim (I-V) karakteristiğinin yükle değişimi ……..15

Şekil 2.9. FV pilin I-V ve P-V karakteristikleri………..16

Şekil 2.10. Çevresel ışık şiddetinin ve pilin sıcaklılığının I-V karakteristiğine olan etkisi ………...………….………18

Şekil 2.11. MPPT devresinin genel blok diyagramı……… ………...19

Şekil 2.12. Değiştir ve gözlemle metodu ile MPPT’nin kontrol akış şeması… ...…..22

Şekil 2.13. FV jeneratör çeşitleri……… ………....23

Şekil 2.14. Seri (a) ve paralel (b) bağlanmış eşdeğer hücreler……… ….…..24

Şekil 2.15. Yakıt hücresinin yapısı……… ……….28

Şekil 2.16. Bir yakıt pillinin çalışma şekli………..29

Şekil.2.17. PEM Yakıt hücresinin DA eşdeğer devre modeli………...…..34

Şekil 2.18. PEM yakıt hücrelerinin I-V karakteristiği………… ………36

Şekil 2.19. FC’nin 0.1Hz -10 KHz aralığındaki genlik ve faz değişimleri………….36

Şekil 2.20. PEM yakıt hücresinin eşdeğer devre modeli…… ……….….…..37

Şekil 2.21. Yükseltici dönüştürücü devresi……….…………..………..….…..38

Şekil 2.22. Yükseltici çevirici (a) açık, (b) kapalı periyodu………38

Şekil 2.23. Senkron Buck dönüştürücü devresi……….………...40

Şekil 2.24. Senkron Buck dönüştürücünün dalga şekilleri………...40

Şekil 2.25. Tek faz köprü eviricinin devre çizimi………..42

Şekil 2.26. Tek faz köprü evirici dalga şekilleri………..….…...43

Şekil 2.27. Eviricinin yüksek endüktif yük altındaki çıkış akımı……….…... 43

Şekil 2.28. Akü basit modeli……… ……… ……….45

Şekil 2.29. Bir elektroliz hücresinde akım ve elektronların yönü………...…51

Şekil 2.30. Elektroliz devresinin I-V karakteristiği……… …… ………...53

Şekil 2.31. Aşırı şarj korumasının çalışma prensibi……… ………...53

Şekil 2.32. Aşırı deşarj korumasının çalışma prensibi………....…54

Şekil 3.1. Şebekeden bağımsız güneş-hidrojen hibrit enerji sisteminin blok şeması………...…55

Şekil 3.2. Dünya yıllık güneşleme potansiyeli haritası...………....…56

Şekil 3.3. Sistemde kullanılan OST 85 Monokristal FV panel………...…61

Şekil 3.4. Güneş ışınlarının geliş açısının sehpa eğimi ile ilişkisi………..62

Şekil 3.5. Panel I-V karakteristiğinin zamanla değişimi (53⁰ için)……….63

Şekil 3.6. Panel I-V karakteristiğinin zamanla değişimi (42⁰ için)……….63

Şekil 3.7. Panel I-V karakteristiğinin zamanla değişimi (23⁰ için)……….63

Şekil 3.8. 24 adet OST-85 FV panelin I-V karakteristiği……… ………...…62

Şekil 3.9. Yakıt pilinin I-V karakteristiği…....……… ……… ……...66

Şekil 3.10. Yakıt pilinin I-V karakteristiğinin eğri uydurma metodu ile çözümü …66 Şekil 3.11. Elektroliz sisteminin devreye giriş ve çıkış geçişleri.… ………..…....…68

Şekil 3.12. Yakıt hücresinin devreye giriş ve çıkış geçişleri.…… ………..…...68

Şekil 3.13. Tasarlanan sistemin SIMULINK ortamındaki modeli……… …...69

Şekil 3.14. Sistemin Kip I’deki çalışma durumu… ………..…..………....…71

Şekil Sayfa Şekil 3.15. İlk ışık şiddeti için güneş pili I-V karakteristiği ve güç-gerilim eğrisi…. .72 Şekil 3.16. İkinci ışık şiddeti için (a) güneş pili I-V karakteristiği ve

(b) güç-gerilim eğrisi…. ..………...………72 Şekil 3.17. Işık şiddeti değişiminin fotovoltaik panelin çıkış gücüne etkisi………...73 Şekil 3.18. Işık şiddeti değişiminin yakıt hücresi çıkış gücüne etkisi…… …..……..73 Şekil 3.19. Işık şiddeti değişiminin hidrojene etkisi……….………..74 Şekil 3.20. Kip I’de bara geriliminin değişimi………..………...…..74 Şekil 3.21. Işık şiddeti değişiminin çıkış (a) akımına (b)gerilimine etkisi………….75 Şekil 3.22. Sistemin Kip II’de yakıt hücresi devreden çıktıktan sonraki durumu…..75 Şekil 3.23. Kip II süresince yakıt hücresinin: (a) Dönüştürücü çıkış akımı,

(b) Yakıt hücresinin çıkış gerilimi, (c) Yakıt hücresinin ürettiği güç…...76 Şekil 3.24. Kip II süresince (a) Bara gerilimi (b) Hidrojen üretim durumu… …..….77 Şekil 3.25. Sistemin kip-III’deki çalışma durumu…….……… ………..….…..77 Şekil 3.26. Kip III süresince (a) Yükün çektiği akım, (b) Yük gerilimi………….…78 Şekil 3.27. Kip III süresince (a) Hidrojen üretimi durumu, (b) Elektroliz

devresinin harcadığı güç……….. ……….78 Şekil 3.28. Kip III süresince (a) Bara gerilimi, (b) Yakıt hücresinin ürettiği akım…79 Şekil 3.29. Sistemin kip IV sonundaki çalışma durumu……….………79 Şekil 3.30. Kip IV süresince (a) Yükün çektiği akım, (b) Yük gerilimi……….80 Şekil 3.31. Kip IV süresince (a) Elektroliz devresinin harcadığı güç,

(b) Hidrojen üretimi durumu………...……….……….80 Şekil 3.32. Kip IV süresince (a) Bara gerilimi, (b) Yakıt hücresinin ürettiği akım…81 Şekil 3.33. Sistemin kip V’deki çalışma durumu….………... ……….82 Şekil 3.34. Kip V süresince (a) Bara gerilimi, (b) Yakıt hücresinin ürettiği akım,

(c) Hidrojenin üretilme durumu…..………....……..82 Şekil 3.35. Kip V süresince yakıt hücresinin (a) akımı, (b) gerilimi, (c) gücü…...…83 Şekil 3.36. Kip V süresince bara gerilimi………… ………...……83

Resim 2.1. Gazi Üniversitesi Temiz Enerji Araştırma ve Uygulama Merkezi

gezici laboratuarının resimleri (a) genel görünüm, (b) iç görünüm………7

Resim 2.2. Fotovoltaik pil……….…..24

Resim 2.3. FV pil modülü……….…..25

Resim 2.3. FV güneş paneli……… ...…… ……….…………………26

Resim 2.5. Bir PEM tipi yakıt pili (Ballard Nexa 1.2kW)………..33

SİMGELER VE KISALTMALAR

Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur.

Simgeler Açıklama

A Eğri uydurma faktörü

DoD İstenen ömür için izin verilen maksimum deşarj derinliği e Elektron yükü (1.6021917 x 10"⁹ C)

Eakü Deşarj başına aküden istenen enerji

FF Doluluk faktörü

GA Işık şiddeti

H⁺ Hidrojen

IFV Işık seviyesi ve P-N eklemi sıcaklığının fonksiyonu(A)

Io D diyodunun ters doyma akımı (A)

Ipil FV pilin çıkış akımı (A)

ISC Kısa devre akımı

k Boltzmann sabiti (1380622 x 10"²³ J/°K ) n Negatif

O2 Oksijen

p Pozitif

Rs Eşdeğer devrenin seri direnci (Ohm) RSH Eşdeğer devrenin paralel direnci (Ohm) Tpil Referans çalışma sıcaklığı (°K)

Ω Ohm

Vdeşarj Deşarj süresince ortalama hücre gerilimi VOC Açık devre gerilimi

Vpil FV pilin çıkış gerilimi (V)

ηdeşarj Deşarj yolunun(diyot, kablo, bobin..) verimi η Verim

AA Alternatif akım DA Doğru akım

FV Fotovoltaik FC Yakıt hücresi

I-V Akım-Gerilim

MGNİ Maksimum güç noktası izleyici (MPPT) MCFC Erimiş karbonatlı yakıt pilli

NASA Ulusal Havacılık ve Uzay Dairesi PAFC Fosforik asit yakıt pilli

PEM Proton değişim zarlı yakıt pili PWM Darbe Genişlik Modülasyonu

P&O Perturbation and observation: Değiştir ve gözlemle SOFC Katı oksit yakıt pilli

VRF Gerilim regülasyon katsayısı

1. GİRİŞ

Nüfus artışına ve insanların refah düzeyinin yükselişine paralel olarak artan enerji talebi yanında, geleneksel enerji kaynakları arasında önemli bir yer tutan petrolün tükenmeye yüz tutması, enerji kaynaklarında çeşitliliği artırma çalışmalarının hızlanmasına neden olmuştur. Öte yandan, yine petrol tabanlı enerji kaynaklarının yol açtığı kirlenmenin çevre üzerindeki olumsuz etkilerinin ulaştığı boyutun artık net olarak görülmeye başlanması üzerine, yeni enerji kaynaklarının çevre dostu olma zorunluluğunu da beraberinde getirmiştir. Temiz ve yenilenebilir enerji kaynakları arasında da günümüzde ilk sırayı güneş ve rüzgar enerjileri almakta, hidrojen telmolojileri de geleceğin en önemli aracı olarak algılanmaktadır.

Bu çalışmada, ortalama bir konutun enerji gereksinimini yenilenebilir kaynaklardan sağlayan, şebekeden bağımsız bir güç sistemi yapısı incelenmektedir. Son yıllarda incelenmeye başlanan bu ve benzeri sistemlerde, yenilenebilir kaynaklardan alınan enerji bir yandan yükün gereksinimini karşılamakta, bir yandan da, kaynağın elverişli olamayacağı zaman dilimleri göz önüne alınarak depolanmaktadır. Depolama genelde elektrokimyasal bataryalarda yapılmakta olup, bu tür sistemler artık ticari olarak ulaşılabilir duruma gelmiştir. Özellikle ana şebekenin ulaşamadığı uzak bölgelerde veya deniz araçlarında bu sistem yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır.

Öte yandan, bataryaların ağırlıkları, ömür sorunları, kimyasal yapılarının neden olduğu kirlilik sorunları ve kapasitesinin ancak belli bir bölümünün kullanılabilir olması, farklı bir enerji depolama seçeneğinin araştırılmasına yol açmıştır. Bu seçeneklerden en önemlisi hidrojen olarak görülmektedir.

Tez kapsamında incelenen sistemde yenilenebilir enerji kaynağı olarak güneş enerjisi kullanılmaktadır. Güneşten alınan enerji bataryalarda depolanmakta ve bir evirici ile yüke uygulanmaktadır. Ancak, sistemde depolama kapasitesinin yarısı hidrojene ayrılmıştır. Güneş enerjisinin gereksinimden fazla olduğu durumlarda, ana denetleyici elektroliz işlemini başlatmakta, elektroliz yoluyla üretilen hidrojenin yüksek basınç altında depolanması öngörülmektedir. Güneşten gelen enerjinin yetersiz kalması durumunda öncelikle bataryalarda depolanan enerji kullanılmakta,

İncelenen sistemin bir benzeri Gazi Üniversitesi Temiz Enerji Araştırma ve Uygulama Merkezi (TEMENAR) tarafından gezici bir laboratuar olarak geliştirilmiştir. Bu tezde, söz konusu sistemde kullanılması öngörülen bir denetim sisteminin yapısı oluşturulmuş ve çeşitli çalışma koşullarında denetim devresinin davranışı, MATLAB SIMULINK yazılımda kurulan benzetim modeli yardımıyla incelenmiştir.

Oluşturulan güç sistemi çeşitli dönüştürücüler içermektedir. Güneş panellerinin çıkışında maksimum çıkış gücünün elde edilmesini sağlayan bir denetleyici (Maksimum Güç Noktası İzleyici, MGNİ) ile birlikte çalışan, yükselten (boost) tür bir DA/DA dönüştürücü bulunmaktadır. Elektroliz işlemi için gerekli kaynak, güneş panellerinin çıkışının düşüren (buck) tür bir DA/DA dönüştürücüye uygulanması ile elde edilir. Yakıt hücresi devreye girdiği zaman üretilen enerji, yine yükselten tür bir DA/DA dönüştürücü devresi ile baraya aktarılır. Son olarak, bara gerilimi bir DA/AA evirici ile yüke uygulanır.

Çalışma, örnek olarak belirlenen bir konutun gereksinimi karşılayacak sistemde bulunması gereken güneş paneli ihtiyacının ve gerekli batarya büyüklüğünün hesaplanmasını, denetim sisteminin ana yapısının belirlenmesini ve denetleyicinin belli çalışma koşullarındaki tepkisinin incelenmesini kapsamaktadır. Benzetim çalışmalarında kullanılan güneş paneli ve yakıt hücresi modelleri, TEMENAR laboratuarında bulunan elemanlar üzerinde yapılan deneylerden elde edilmiştir.

Bölüm 2'de şebekeden bağımsız bir sistemin ana üniteleri olan, fotovoltaik piller, yakıt hücreleri, DA/DA çeviriciler, enerji depolama sistemleri, denetleyiciler, eviriciler incelenmiş, bu sistemlere ait literatür taraması yapılarak bu sistemlerin yapısı, çalışma prensibi ve karakteristikleri hakkında genel bilgiler verilmiştir.

Ayrıca PEM yakıt hücresinin eşdeğer devre modeli yine bu bölümde çıkarılmıştır.

Bölüm 3’de, güneş enerjisinin Ankara’da kullanılabilirliği incelenmiş, tasarlanacak şebekeden bağımsız sistem için yükün ihtiyaç duyacağı gücün tespiti yapılmıştır.

Tasarımda kullanılacak FV panelin ve yakıt hücresinin akım-gerilim karakteristiği laboratuar şartlarında ölçümler yapılarak elde edilmiştir.

3. Bölüm’de, sistemde kullanılacak denetim sistemin yapısı tartışılmış, oluşturulan denetim sisteminin çeşitli çalışma koşullarındaki davranışı SIMULINK yazılımı yardımıyla incelenmiştir. Bu benzetim çalışmasında, deneylerle elde edilen panel ve yakıt hücresi modelleri kullanılmıştır.

Son bölümde ise sonuçların genel değerlendirmesi yapılmıştır.

Bu bölümde şebekeden bağımsız bir hibrit enerji sistemi hakkında bilgi verilerek bu sistemin ana bileşenleri olan güneş enerjisi, fotovoltaik piller, yakıt hücreleri, MGNİ tabanlı DA/DA yükseltici çeviriciler, enerji depolama sistemleri, denetleyiciler ve eviriciler ile ilgili yapılan literatür taramasından elde edilen teorik bilgiler sunulmaktadır.

2.1. Şebekeden Bağımsız Enerji Sistemleri

Çevre kirliliği problemleri ile ekonomik değerlendirmeler sonucunda ucuz ve temiz enerji düşüncesi, bu konudaki araştırmaların hızını daha da artırmıştır. Enerji problemine çözüm düşüncesiyle; yenilenebilir enerji kaynakları olarak adlandırılan, güneş, rüzgar, yakıt hücresi, gelgit, jeo-termal, fosil atık yakıt sistemleri üzerine çalışmalar yoğunlaşarak devam etmektedir.

Şebekeden bağımsız (stand-alone, off-grid) enerji sistemleri, özellikle yerleşim yerlerinden uzak, elektrik şebekesi olmayan yörelerde, jeneratöre yakıt taşımanın zor ve pahalı olduğu durumlarda belli bir birimin elektrik gereksinimini sağlamak için kullanılırlar. Bu sistemler genellikle rüzgar veya güneşten alınan enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürerek, gereksinim olduğu zamanlarda kullanmak üzere bataryalarda depolarlar. Batarya çıkışlarındaki doğru gerilim, eviricilerle 220 V, 50 Hz sinüzoidal gerilime dönüştürülerek yüke uygulanır.

Güneş pilleri, elektrik enerjisinin gerekli olduğu her uygulamada kullanılabilir.

Güneş pili modülleri uygulamaya bağlı olarak, akümülatörler, eviriciler, akü şarj denetim aygıtları ve çeşitli elektronik destek devreleri ile birlikte kullanılarak bir güneş pili sistemi (fotovoltaik sistem) oluştururlar. Bu sistemlerin yakıt hücreleri, dizel jeneratörler ya da başka güç sistemleri ile birlikte hibrit olarak kullanılmaları da mümkündür.

Güneş enerjisi sistemlerinde kullanılan bataryaların kimyasal malzeme içermeleri, ağırlıklarının ve hacimlerinin fazla olması, enerji depolamak için farklı seçenek arayışlarına neden olmuştur. Bu seçeneklerden bir tanesi de, geleceğin yakıtı olarak düşünülen hidrojendir. Güneşten elde edilen elektrik enerjisinin yükün gereksiniminden fazla olduğu zamanlarda, bu fazla enerji ile elektroliz yaparak hidrojen üretmek ve bu hidrojeni depolamak, yükün güç gereksiniminin güneşten sağlanamadığı anlarda ise bu hidrojeni yakıt hücrelerine yollayarak tekrar elektrik enerjisi elde etmek, son yıllarda üzerinde yoğun çalışmalar yapılan bir yöntemdir.

Böylece, daha temiz bir enerji elde edilmiş olmaktadır. Ayrıca, bataryaların belli bir kapasitesinin altına inilmesi batarya ömrünü azaltırken hidrojende böyle bir sıkıntının olmaması da önemli bir üstünlüktür. Öte yandan hidrojenin güvenli bir biçimde depolanma gereksinimi ve elektroliz işleminin veriminin düşük olması ciddi kısıtlamalar getirmektedir.

Şebekeden bağımsız güneş-hidrojen enerji sisteminin dünyada pek çok örneği bulunmaktadır. Güneş enerjisi kaynaklı hidrojen ekonomisi kuramı ilk olarak 1962 yılında Bockris tarafından ortaya konmuştur. Bockris 1962 yılında Amerikan şehirlerinin güneş enerjisi kaynaklı hidrojen ile desteklenmesi için plan hazırlamıştır.

Bu plana göre yüzer fotovoltaik paneller oluşturulacak, elektroliz ile deniz suyundan hidrojen üretilerek boru hatları ile şehirlere nakledilecekti. Japonlar tarafından PORSHE (Planned Ocean Raft System fort the Hydrogen Economy) olarak adlandırılan benzer bir kavram 1979 yılında Escher ve Otha tarafından ortaya konmuştur [1,2,8].

Almanya’da kurulacak olan Mini Solar-Hydrogen Energy System (Nümberg) test uygulama tesislerinden oluşacaktır. Bu tesis FV piller, elektroliz ünitesi, yakıt pili, hidrojen depolama ünitesi, hidrojen üretimi, hidrojen yakıt istasyonu ve hidrojenle çalışan araçlar gibi solar hidrojen enerji sisteminin bütün parçalarını barındıracaktır [3,8].

Almanya ile Suudi Arabistan arasında hidrojen üretimi için yapılan bir proje olan HYSOLAR projesi, Suudi Arabistan’daki FV paneller ile elektrik elde edecek ve bu

üretilerek Avrupa’da ihraç edilmesinin ekonomik, ticari ve teknolojik olarak uygun ve dizayn edilebilir olduğunu göstermiştir [4,8].

Gazi Üniversitesi bünyesinde kurulmuş olan Temiz Enerji Araştırma ve Uygulama Merkezi de (TEMENAR), Güneş-Hidrojen-Elektrik Çevrimi adlı bir proje kapsamında, ortalama bir konutun enerji gereksinimini karşılayabilecek bir kapasitede (5 kW-h/gün) gezici bir sistem kurmuştur. Resmi Şekil 2.1’de görülen bu karavanda, çatıya yerleştirilen 24 adet güneş pilinden gelen elektrik enerjisi iki adet bataryayı doldurmakta, bu bataryaların çıkışındaki evirici de doğru gerilimi şebeke gerilimine dönüştürmektedir. Karavanda ayrıca 10 adet hidrojen jeneratörü bulunmaktadır. Bu jeneratörler, güneş enerjisinden elde edilen elektrikle çalıştırılabilmekte, jeneratörlerin ürettiği hidrojen, basınç altında Metal Hidrürlü tüplere sıkıştırılabilmektedir. Bu tüplerdeki hidrojen, gerek duyulduğunda 1.2 kW gücündeki bir yakıt hücresine (Ballard Nexa) verilmekte ve yakıt hücresinden yine elektrik enerjisi elde edilmektedir.

Güneş pili sistemlerinin şebekeden bağımsız olarak kullanıldığı tipik uygulama alanları aşağıda sıralanmıştır:

- Haberleşme istasyonları, kırsal radyo, telsiz ve telefon sistemleri - Petrol boru hatlarının katodik koruması

- Metal yapıların (köprüler, kuleler vb.) korozyondan koruması

- Elektrik ve su dağıtım sistemlerinde yapılan telemetrik ölçümler, hava gözlem istasyonları

- Bina içi ya da dışı aydınlatma

- Dağ evleri ya da yerleşim yerlerinden uzaktaki evlerde TV, radyo, buzdolabı gibi elektrikli aygıtların çalıştırılması

- Tarımsal sulama ya da ev kullanımı amacıyla su pompalaması - Orman gözetleme kuleleri

- Deniz fenerleri

- İlkyardım, alarm ve güvenlik sistemleri - Deprem ve hava gözlem istasyonları - İlaç ve aşı soğutma

a)

b)

Resim 2.1. Gazi Üniversitesi Temiz Enerji Araştırma ve Uygulama Merkezi gezici laboratuarının resimleri a) genel görünüm, b) iç görünüm

Bir şebekeden bağımsız (stand-alone) FV sistem genel olarak; FV üreteç, depolama sistemi (batarya, yakıt hücresi…), denetleyici, evirici ve yükten meydana gelmektedir. Aşağıda şebekeden bağımsız bir güneş pili enerji sisteminin şeması verilmektedir.

Şekil 2.1. Şebekeden bağımsız bir sistemle enerjisini karşılayan konut modeli [2]

Bu sitemin ana bileşenlerinin blok modelleri Şekil 2.1’de gösterilmiştir. Bu modüler yapının modellenmesi, diğer sistem yapılarını ve elemanları yerine koymak, AA yük yerine DA yük koymak gibi kolaylıklar sağlamaktadır [2].

Şekil 2.2. Şebekeden bağımsız FV-yakıt hücresi sisteminin blok diyagramı

2.2.Güneş Enerjisi ve Fotovoltaik (FV) Piller

Dünya atmosferinin dışında güneş ışınımının şiddeti, aşağı yukarı sabit ve 1366 W/m² değerindedir. Ancak atmosfer bu enerjinin %6’sını yansıtır, %16’sını da sönümler ve böylece deniz seviyesinde ulaşılabilen en yüksek güneş ışınımının şiddeti 1020 W/m²’dir. Güneş enerjisinin dünyaya gelen küçük bir bölümü dahi, insanlığın mevcut enerji tüketiminden kat kat fazladır. Güneş enerjisinden yararlanma konusundaki çalışmalar özellikle 1970'lerden sonra hız kazanmış, güneş enerjisi sistemleri teknolojik olarak ilerleme ve maliyet bakımından düşme göstermiş, güneş enerjisi çevresel olarak temiz bir enerji kaynağı olarak kendini kabul ettirmiştir [5].

Güneş enerjisinden yararlanmak için insanlar tarafından geliştirilen dönüşüm yöntemleri de bulunmaktadır. Şekil 2.3’de de görüldüğü gibi ısıl dönüşümlerle farklı şekillerdeki toplaçlarla sıcak su, buhar ve elektrik elde edilmesinde, yarı iletken aygıtlarla doğrudan elektrik enerjisi elde edilmesinde, su gücü ve rüzgarla mekanik ve elektrik enerjisi elde edilmesinde, biyokütle ile odun vb. yakma sistemleriyle ısı

yararlanılmaktadır [6].

Şekil 2.3. Güneş enerjisinin kullanım alanları

2.2.1. Fotovoltaik (FV) piller

Fotovoltaik piller, yüzeylerine gelen güneş ışığını doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren yarıiletken maddelerdir. Şekil 2.4’de görüldüğü gibi yüzeyleri kare, dikdörtgen, daire şeklinde biçimlendirilen FV pillerin alanları genellikle 100 cm² civarında, kalınlıkları ise 0,2-0,4 mm arasındadır. FV piller fotovoltaik ilkeye dayalı olarak çalışırlar; yani üzerlerine ışık düştüğü zaman uçlarında elektrik gerilimi oluşur. Pilin verdiği elektrik enerjisinin kaynağı, yüzeyine gelen güneş enerjisidir.

Güneş enerjisi, güneş pilinin yapısına bağlı olarak % 5 ile % 20 arasında bir verimle elektrik enerjisine çevrilebilir [7].

Şekil 2.4. Fotovoltaik pil [11]

Gerçek FV piller ve modülleri ile laboratuarda deney yapmak oldukça pahalı ve uzun zaman gerektiren bir iş olduğu için simülasyon teknikleri geliştirilmiştir. Piyasada bunun için birçok ticari simülasyon yazılımı mevcuttur. Bunlara örnek olarak; bir fotovoltaik sistemin performansını simüle edebilen ve modelleyebilen ENERGY-10, PVSIM, PVCAD, PVFORM ve HYSIM verilebilir. Bu programlar çok pahalı ve özellikle öğrenciler için çok yaygın olmayan programlardır. Yakın zamanda oldukça yayılmış olan PSpice ve MATLAB programı da bu simülasyonları yapmak için kullanılmaya başlanmıştır [14]. Bu çalışmada MATLAB 6.5 versiyonu kullanılmıştır.

2.2.1.1. FV pillerin yapımında kullanılan malzemeler

FV piller ilke olarak bugün elektronik düzeneklerin içerisinde çok kullanılan ve çok küçük boyutlara sahip olan yarı-iletken diyotların, geniş yüzey alanlara uygulanmış şeklidir. Kullanılan malzeme, üretim şekilleri ve diyotların çalışma şekilleri, temelde benzerdir. FV pillerin yapımında dünyada rezervi en çok olan silisyum (silikon) malzemesi kullanılır. Özellikle kristalli silisyum maddesinden güneş pili yapımı endüstride çok yaygındır. Silisyumdan yapılan FV piller tek kristalli, çok kristalli ve amorf silisyum gibi maddelerden yapılır.

Silisyum, Kadmiyum Tellürid, Bakır İndiyum Diselenid, Optik Yoğunlaştırıcılı Hücreler.

2.2.2. FV pillerin yapısı ve çalışma ilkesi

Fotovoltaik piller, algıladıkları foton enerjisinden eşit sayıda pozitif ve negatif yükler oluşturarak güneş enerjisini doğrudan kullanılabilir yararlı elektrik enerjisine dönüştüren cihazlardır.

FV piller ince bir n tabakası ve daha kalın bir p tabakasının birleşmesinden meydana gelmektedir. Bu şekilde yapılmasının nedeni p tabakasının daha kolay oluşturulması ve malzemenin bol olmasıdır, p ve n tabakalarına bakır iletken eklenerek dış devre ile bağlantı sağlanır. Oluşturulan bu p-n eklemine güneş ışığı düştüğünde her iki tabakada elektron-delik çiftleri oluşur. Bu elektron-delik çiftleri dış devreye akım vererek p-n ekleminin pil gibi çalışmasını sağlamaktadır.

Oluşturulan pozitif ve negatif yükler fotovoltaik ve fotoakım meydana getirmek üzere ayrıştırılırlar [13].

Şekil 2.5. Fotovoltaik pilin yapısı [7]

FV pillerin yapısında oluşan elektron ve delikleri yüke aktarmak için pilin ön yüzeyinde parmaklar şeklinde iletkenler konur. Bu şekilde yapılmasının nedeni elektron-delik çiftleri yeniden yapılanarak (recombination) eski durumuna geçebilir.

Bunu engellemek gerekir. Pilin alt yüzeyi ise tamamen iletken ile kaplıdır. Ayrıca ARC denilen prizmayı önleyici bir yapı da mevcuttur [14].

Bir güneş pili, p-n eklemine ait terminalleri arasına bir yük bağlı bulunduğu sürece güneş enerjisini çıkışında bir elektrik gücüne dönüştürür. Herhangi bir yük ya da p-n eklemini dışardan birbirine bağlayan bir yol yoksa elektron akışı gerçekleşemez ve dolayısıyla fotoakımı üretilemez. Ayrıca eğer çok küçük bir yüke sahipse, ya da p-n uçları kısa devre edilmişse bu çıkışlar arasındaki potansiyel farkı (fotovoltaik) sıfır, akan akım (fotoakım) ise maksimum değerinde olur. Klasik doğru akım (DA) güç kaynaklarının tersine bir FV güneş pilin akım-gerilim ilişkisi doğrusal değildir. Bu nedenle güneş pili güç kaynakları klasik doğru akım ya da gerilim kaynakları ile temsil edilmezler.

2.2.3. FV güneş pilinin eşdeğer devre modeli

FV pillerin I-V (Akım - Gerilim) karakteristikleri güneş pili eşdeğer devre modelleri ile elde edilebilir. Bir ideal güneş pilinin devre modeli Şekil 2.6’da gösterilmiştir.

Görüldüğü gibi ideal model sadece akım ürettiği için bir akım kaynağı, ve p-n ekleminden oluştuğu için de bir diyot içermektedir.

Şekil 2.6. İdeal güneş pili eşdeğer devre modeli

Şekil 2.6’de verilen devre modeli, FV güneş pilinin genel statik eşdeğer devresidir.

Bu modeldeki parametreler ışık şiddeti ve sıcaklığa bağlıdır. Dolayısıyla

( )

SH pil s pil pil

s pil pil o

FV

pil R

I R I V

R kT V

I e I

I + ×

⎥−

⎥⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡ ⎟⎟−

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ + ×

−

= exp 1 (2.1)

Burada;

Ipil : FV pilin çıkış akımı (A)

IFV : Işık seviyesi ve P-N eklemi sıcaklığının fonksiyonu, fotoakım (A) Io : D diyodunun ters doyma akımı (A)

Vpil : FV pilin çıkış gerilimi (V)

Rs : Eşdeğer devrenin seri direnci (Ohm) RSH : Eşdeğer devrenin paralel direnci (Ohm) e : Elektron yükü (1.6021917 x 10^-9 C) k : Boltzmann sabiti (1380622 x 10^-23 J/°K) Tpil : Referans çalışma sıcaklığı (°K)

ID olarak işaretlenen akım, FV pili oluşturan yarıiletken malzemelerin P-N birleşme noktasından akan bir iç akım olup, pilin mutlak sıcaklığı, terminal gerilimi ve yük tarafindan çekilen akımın bir fonksiyonu olarak değişir. Bu Eş.2.2 ile ifade edilir [15].

(2.2)

( )

⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ + ×

= _{pil s pil}

pil o

D V R I

AkT I e

I exp

2.2.4. FV güneş pili akım gerilim I-V karakteristikleri

Bir fotovoltaik güneş pilinin elektriksel özelliklerini belirlemek için bu pilin akım ve geriliminin yükten nasıl etkilendiğini gözlemek gerekir. Bu amaçla Şekil 2.7’de verilen bağlantı kullanılabilir. Bu şekilde, FV pil paneli seri bağlı bir ampermetre

üzerinden ayarlanabilen bir yüke doğrudan bağlanmıştır. Günün belirli bir saatinde, gün ışığı ve ortam sıcaklığındaki değişmelerin ihmal edilebilecek kadar az olduğu kabul edilerek, yük açık konumdan uçlarının kısa devre olduğu konuma kadar ayarlanırken, ampermetre ve voltmetredeki değerler her yük kademesi için kaydedilip grafik olarak çizilirse, Şekil 2.8’da verilen Akım-Gerilim (I-V) karakteristiği elde edilebilir [13].

Şekil 2.7. FV pil panelinin doğrudan doğruya ayarlanabilen bir yüke bağlanması

Şekil 2.8. FV pil panelin akım-gerilim (I-V) karakteristiğinin yükle değişimi

Gerek yukarıda verilen Eş.2’lerden, gerekse Şekil 2.8’den anlaşılacağı gibi, bir FV pilin ya da panelin akım ve gerilimden herhangi biri ya da her ikisi birden sıfırken, çıkış gücü de sıfırdır. Dolayısıyla çıkış gücünün değişimi Şekil 2.9’da görüldüğü gibi olur.

Şekil 2.9. FV pilin I-V ve P-V karakteristikleri

Şekil 2.9’dan anlaşılacağı gibi çıkış gücü, akım ve gerilimin belirli değerlerinde maksimum olmaktadır. Bir FV pili ya da panelinin maksimum çıkış gücü, üzerine gelen günışığı seviyesi ve çalışma sıcaklığına bağlı olarak değişir. Dolayısıyla kurulan ve işletilen bir FV pil panelinden daha verimli bir şekilde faydalanmak için, o panelin çıkış gücünü mümkün olan maksimum değerinde tutmak gerekir.

Güneş pilinin karakteristiğini etkileyen çevresel parametreler

(a) Kısa devre akımı: (Iph=Isc) Kısa devre durumunda (V=0) FV pil tarafından üretilen akımın değerinin en büyük olduğu zamandaki akımdır.

(b) Açık devre gerilimi: Karanlık durumda diyot üzerinden akım değeri (ID=Iph) sıfır olduğunda ölçülen gerilim değeridir. Bu durumda açık devre gerilimi matematiksel olarak [16];

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

= ⎛

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

= ⎛

o ph t

o c ph

oc I

V I I

I e

V mkT ln ln (2.3)

Burada Tc mutlak sıcaklığı, Vt termal gerilimi ifade etmektedir;

e

V_t = mkT^c (2.4)

(c) Maksimum güç noktası: FV pilin sağladığı gücün maksimum olduğu maksimum çalışma noktasıdır.

max max

max I .V

P = (2.5) (d) Maksimum verim: Maksimum güçün girişteki ışık gücünün maksimum değerine oranıdır.

a

in AG

V I P P

.

max max max =

η= (2.6)

Burada Ga maksimum güç noktasında çevredeki ışık şiddetidir.

(e) Doluluk faktörü: Maksimum gücün üretilen Isc and Voc değerlerine oranıdır.

sc oc sc

oc V I

V I I V FF P törü

DolulukFak = = ^max = ^{max max} (2.7)

Doluluk faktörü I-V karakteristiğinin bir ölçütüdür. Bu değerin 0.7 den büyük olması tercih edilir. Doluluk faktörü pilin sıcaklığı arttıkça azalmaktadır.

Şekil 2.10’ da çevresel ışık şiddetinin Ga ve pilin sıcaklılığının Tc, I-V karakteristiğine olan etkisi görülmektedir.

Şekil 2.10. Çevresel ışık şiddetinin ve pilin sıcaklılığının I-V karakteristiğine olan etkisi

Şekilden de görüldüğü gibi açık devre gerilimi çevresel ışık şiddeti ile logaritmik olarak, kısa devre gerilimi ise lineer olarak artmaktadır. Açık devre gerilimi hücre sıcaklığı arttıkça azalırken kısa devre gerilimi çok küçük oranda artmaktadır. Bu artış ve azalışlar Şekil 2.10’da oklarla gösterilmektedir [16].

Işık şiddeti, ya da güneş radyasyonu seviyesi arttıkça FV pilin maksimum çıkış gücü de artmaktadır. Ancak ışık şiddeti arttıkça, maksimum çıkış gücünün yanı sıra, hem bu güce karşılık gelen pil akımı hem de pil gerilimi artar. Benzer etki, Şekil 2.10 (b) de, FV pilin çıkış gücünde de görülmektedir. Çalışma sıcaklığının artması FV pilin çıkış gerilimini olumsuz yönde etkilemektedir. Gerilimdeki azalma doğrudan doğruya güce yansıdığından, çalışma sıcaklığındaki artış çıkış gücünü de olumsuz yönde etkiler [13].

Sonuç olarak; FV piller için ışık şiddeti yüksek, sıcaklığı düşük ortamlarda daha iyidir.

2.2.5. Maksimum güç noktası izleyici (MGNİ) devreleri

Güneş panellerinin elektriksel karakteristiği sıcaklığa, ışık şiddeti ve açısına, bağlanan yüke göre çok değişim gösterir. MGNİ (maksimum güç noktası izleyici) devresi güneş panellerinin çıkışına bağlanan ve panellerin karakteristiği değişse de en verimli akım-gerilim değerlerinde çalışmasını sağlar. Bu sayede verim panellerden elde edilen güç koşullara göre %10–30 kadar arttırılabilir. MGNİ devreleri özellikle güneşin yeryüzüne az ulaştığı soğuk kış aylarında yükselen panel gerilimleri sebebiyle çok yarar sağlamaktadır.

Şekil 2.11. MGNİ devresinin genel blok diyagramı

Günümüzde fotovoltaik sistemlerin kullanım yeri ve amacına uygun olarak optimal şartlarda seçiminde çeşitli zorluklar söz konusudur. Çünkü, FV sistem elektriksel güç çıktısı; diğer güneş enerjisi uygulamalarından farklı olarak, ışınım şiddeti ve çevre sıcaklığı yanında, güç temin ettiği elektriksel cihazın (yük) iç direncine bağlı olarak da doğrusal olmayan (üstel) bir değişim gösterir. MGNİ'nin görevi solar donanımından gelen elektriği maksimum güç elde edecek şekilde koşullandırarak her bir pile depolamak veya motor kontrol ünitesine motoru tahrik için göndermektir.

Solar donanım pilleri şarj ederken, MGNİ'ler pilleri fazla yüklemeden dolayı gelecek hasarı önler. Kullanılacak kuvvetlendirici sayısı, her takımın tasarımına göre farklılık gösterir. MGNİ'ler çok hafif olmakla beraber, yaklaşık %95 verimle çalışmaktadırlar [17].

Literatürde FV panel için I-V karakteristiklerini ifade eden çok sayıda matematiksel model bulunmakta olup bu modellerin ortak yanı genelde üstel birer fonksiyon olmalarıdır. Normal şartlar altında bir panelin akım-gerilim ilişkisini yüksek hassasiyetle tespit etmede gerekli parametre sayısı beş olmasına karşın, mükemmel şartlarda tasarlanmış hücreler için panelin şönt (paralel) direnci ihmal edilerek düzenlenir.

S o

L I R

I I A I

V . ln 1 ⎥− .

⎦

⎢ ⎤

⎣

⎡ ⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ − +

= (2.8)

Eş.2.8 ile bu ilişki dört parametrenin bilinmesi suretiyle tespit edilebilir [11,12].

Eş.2.8’de yer alan parametreler sırasıyla;

IL: kısa devre akımı, I0: karanlık akım, A: sıcaklık katsayısı RS: seri direnç

değerini gösteriyor olup, bu dört parametre sıcaklığın ve ışınım şiddetinin birer fonksiyonudurlar.

Literatürde çok sayıda kullanılan MGNİ kontrol yöntemi vardır bunların bazıları şunlardır [9]:

• Değiştir ve gözlemle yöntemi (perturbation and observation method )

• Güç geri beslemesi yöntemi (power-feedback method)

• İletkenlik artımı yöntemi (incremental conductance)

• Gerilim (veya akım) geribesleme yöntemi (voltage or current feedback)

• Doğrudan yöntem (direct method)

• Batarya şarj akımı (battery charging current) (feed-forward)

Bu çalışmada maksimum güç noktasında çalışabilmek için kullanılan yöntemlerden

“değiştir ve gözlemle” yöntemi kullanılmaktadır.

Değiştir ve gözlemle (DG) yöntemi ile maksimum güç noktalarının tespiti

Bu teknik, FV panelden çekilen akımı uygun biçimde değiştirerek panelden çekilen güç değerlerini gözlemlemek ve çekilen gücün maksimum olduğu noktada çalışacak biçimde gerekli düzenlemeleri yapmak üzerine kuruludur. Mikrodenetleyici, DA/DA dönüştürücünün denetim işaretinin doluluk oranını değiştirerek, FV çıkış geriliminin değişmesine neden olur. Yeni noktada çekilen güç değeri bir önceki değerle karşılaştırılır ve bu biçimde, yinelemeli olarak yapılan bir işlemle maksimum güç noktası yakalanır. Koşullar değiştikçe pil karakteristiği de kayar, ancak denetleyici her koşulda yeni maksimum güç noktasını bulur. Bu denetime “değiştir ve gözlemle (PO:Perturbation and observation) yöntemi” adı verilir [10]. Yöntem, matematiksel olarak şu biçimde tanımlanabilir:

) 1 ( ) (

) 1 ( ) ) (

( − −

−

= −

k v k v

k p k k p dv

dp (2.9)

Burada v(k), i(k), p(k), gerilimin, akımın ve gücün anlık değerlerini gösterir ve,

) ( ) ( )

(k v k i k

p = (2.10)

Gücün en yüksek değerinde olduğu noktada dp/dv değeri sıfır olacağından, denetleyici aslında bu değerleri izler.

Şekil 2.12’de değiştir ve gözlemle yöntemi ile MGNİ’nin kontrol akış şeması görülmektedir.

Şekil 2.12. Değiştir ve gözlemle metodu ile MGNİ’nin kontrol akış şeması

Akü şarj uygulamalarında buradaki DA/DA çevirici çıkış gerilimi hemen hemen sabit kabul edilirse Şekil 2.11’deki gibi bir ileri besleme MGNİ denetleyici uygulanabilir. Akü şarj akımının değeri, DA/DA çeviriciye uygulanan PWM kontrol sinyalinin doluluk oranı ile direkt olarak kontrol edilir. Yüke maksimum güç transfer edilene kadar PWM kontrol sinyalinin doluluk oranı, ve istenen çıkış akımı elde edilene kadar çıkış gücü arttırılır. FV panelin çıkış gücü kullanılarak güç çeviricilerin kontrolü bu metod ile belirlenir. MGNİ kontrol akış algoritması Şekil 2.12’de gösterilmiştir. Burada FV çıkış gücü, akım değeri ve örnekleme gerilimi tarafından güç değiştirilerek hesaplanmaktadır. Güç değişimi, o andaki ve bir önceki gerilim

seviyesini karşılaştırarak ve PWM kontrol sinyalinin üretimi için kullanılan referans gerilimine (Vref ) bağlı olarak belirlenir.

Bu metotta FV panel çıkış gücünün ve DA/DA çeviriciye uygulanan PWM kontrol sinyalinin doluluk oranının ölçümü için bir mikro denetleyici kullanılır. FV panelin çıkış gücünün mevcut değeri, bir önceki değeri ile karşılaştırılarak FV panelin akım ve gerilim değerleri hesaplanır. Bu karşılaştırma işlemi, maksimum güç noktasına ulaşana kadar doluluk oranı değiştirilerek tekrarlanır. Mikrodenetleyicilerle yapılan MGNİ kontrol uygulaması, DA/DA çevirici ve akü kullanımlarında düşük maliyetli, düşük güç tüketimli ve yüksek verimlidir [10].

2.2.6. FV üreteçler (pil, modül, panel)

Güç çıkışını artırmak amacıyla çok sayıda güneş pili birbirine paralel ya da seri bağlanarak bir yüzey üzerine monte edilir, bu yapıya fotovoltaik üreteç adı verilir.

Bir fotovoltaik üreteç güneş pilleri, bağlantı elemanları, koruyucu elamanlar ve destek elemanlarından oluşmaktadır. Günümüzdeki modellemeler sadece FV pil/modül/panel üzerinde odaklanmaktadır [16].

Şekil 2.13. FV üreteç çeşitleri

Karanlıkta FV pil aktif değildir. p-n eklemli bir diyot gibi çalışır, ne akım ne de gerilim üretir. Bununla beraber eğer bir harici destek eleman eklenirse ID akımı üretilir, bu akıma diyot akımı veya karanlık akım adı verilir.

Resim 2.2. Fotovoltaik pil

Pratik kullanımda FV piller seri ve paralel olarak birbirine bağlanırlar. I-V karakteristik eğrisi, seri ve paralel bağlantıda şekildeki gibi farklılık göstermektedir.

Şekil 2.14. Seri (a) ve paralel (b) bağlanmış eşdeğer hücreler

Şekil 2.14’den de görüldüğü gibi I-V karakteristik eğrisi, eşdeğer FV piller seri bağlandığında akım aynı kalırken gerilim değeri artmaktadır. Paralel bağlandığında ise gerilim değeri aynı kalırken akım değerinde artış olmaktadır [16].

2.2.6.2. FV modül modeli

FV güneş pili modülü oluşturulurken, gerekli çıkış gerilimini elde etmek için yeterli sayıda pil seri bağlanırken, gerekli akımı elde edebilmek için de, seri bağlı pil grupları paralel bağlanır. Resim 2.3’de FV pillerden oluşan FV modül görülmektedir.

Resim 2.3. FV pil modülü

Güneş modülü oluştururken kullanılacak pillerin tamamen aynı özelliklerde olması gerekir.

2.2.6.3. FV panel modeli

FV güneş paneli oluşturulurken, gerekli çıkış gerilimini elde etmek için yeterli sayıda modül seri bağlanırken, gerekli akımı elde edebilmek için de, seri bağlı modül grupları paralel bağlanır. Resim 2.4’de FV modüllerden oluşan FV panel görülmektedir.

Resim 2.4. FV güneş paneli

2.3. Hidrojen Enerjisi ve Yakıt Hücreleri

2.3.1. Hidrojen enerjisi

Hidrojen bilinen tüm yakıtlar içerisinde birim kütle başına en yüksek enerji içeriğine sahiptir (Üst ısıl değeri 140.9 MJ/kg, alt ısıl değeri 120,7 MJ/kg). 1 kg hidrojen 2.1 kg doğal gaz veya 2.8 kg petrolün sahip olduğu enerjiye sahiptir. Ancak birim enerji başına hacmi yüksektir. Hidrojen doğada serbest halde bulunmaz, bileşikler halinde bulunur. En çok bilinen bileşiği ise sudur.

Hidrojen bir doğal yakıt olmayıp, birincil enerji kaynaklarından yararlanılarak değişik hammaddelerden üretilebilen bir sentetik yakıttır. Hidrojen üretiminde tüm enerji kaynakları kullanılabilmektedir. Hidrojenin üretim kaynakları bol ve çeşitlidir.

Fosil yakıtlardan elde edilebildiği gibi güneş, rüzgar, hidrolik enerji gibi yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılması ile suyun elektrolizi yolu ile üretimi, biyokütleden üretimi ve biyolojik proseslerle üretimi mümkündür. Günümüzde hidrojen ağırlıklı olarak doğal gazdan buhar reformasyonu sonucu elde edilmektedir. Suyun elektrolizi bilinen bir yöntem olmakla beraber ekonomik hale getirilmesi konusunda çalışmalar, gene benzer şekilde güneş enerjisinden biyoteknolojik yöntemlerle hidrojen üretimi konusunda araştırma-geliştirme çalışmaları devam etmektedir [19]. Son yıllarda dünyadaki gelişim hidrojeninin yakıt olarak kullanıldığı yakıt pili teknolojisi doğrultusundadır.

2.3.2. Yakıt hücreleri

Yakıt pilleri (yakıt hücreleri) aynı zamanda, sürekli enerji değişimi yapan araçlar (üreteçler) olarak da tanımlanabilir. Yakıt pili ile hidrojen üretimi için kullanılan bir elektroliz hücresi beraber kullanıldığında ideal bir fotovoltaik enerji depolama sistemi oluşur. Çünkü güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren fotovoltaik pillerin ürettiği doğru akımı kullanarak suyu elektrolizle hidrojen ve oksijene ayırmak, daha sonra da bu hidrojeni, yakıt pillerinde istenildiği zaman ve yerde enerjiye dönüştürmek mümkündür. Yakıt pilleri, akü sistemlerinden oldukça farklı bir yapıya sahip olup tekrar şarj edilmesi söz konusu değildir [15].

Yakıt pilleri aşağıda sıralanan alanlarda kullanılabilmektedir:

• Uzay çalışmaları/askeri uygulamalar

• Evsel uygulamalar

• Yüksek güçlü elektrik üretimi (santral)

• Taşınabilir güç kaynağı uygulamaları

• Atık/atık su uygulamaları

• Taşıt uygulamaları

2.3.2.1. Yakıt hücresinin yapısı

Yakıt pilleri, temiz, çevreye zarar vermeyen ve yüksek verime sahip enerji dönüşüm sistemleridir. Yakıt gazlarındaki kimyasal enerji, düşük enerjili, minimum hareketli parçalar içeren ve hava kirliliğine sebep olmayan elektro kimyasal bir süreçte elektrik enerjisine dönüştürülür [19].

Şekil 2.15. Yakıt hücresinin yapısı

Yakıt pili hücrelerden meydana gelmektedir. Her bir hücre de, anot ve katot olmak üzere iki elektrot ve bu elektrotların sardığı elektrolitten oluşur (Şekil 2.15). Anot elektroduna yakıt elektrodu, katot elektrotuna da oksijen elektrodu adı da verilmektedir. İstenilen gerilim değerine göre hücreler birbirlerine seri bağlanır.

Ayrıca hücrenin üretebileceği akım değeri yüzey alanı ile orantılıdır. Akım değeri arttırılmak istenirse hücrenin yüzey alanı da orantılı olarak arttırılmalıdır [21].

2.3.2.2. Yakıt hücresinin çalışma prensibi

Prensip olarak, yakıt pilleri elektrokimyasal bataryaların işlevini görür.

Elektrokimyasal bataryalardan farklı olarak, yakıt pilleri bitmez ya da şarj edilmesine gerek yoktur. Yakıtla beslendiği sürece elektrik ve ısı formunda enerji üretir.

Hidrojen, yakıt pillerinin anoduna beslenir. Oksijen (veya hava) yakıt pillerine katottan girer. Bir katalizör yardımıyla, hidrojen atomu, katoda farklı yollar izleyerek gidecek olan bir proton ve bir elektrona ayrılır. Proton elektrolit içerisinden geçer.

Elektronlar, katoda dönüp hidrojen ve oksijen ile birleşerek su molekülü oluşturmadan önce bir elektrik akımı oluştururlar [35].

Şekil 2.16. Yakıt pillinin çalışma şekli

Yakıt pilinin çalışması için hidrojen – oksijen veya hidrojen – hava gereklidir. Bir yakıt pilinin merkezinde iki elektrot arasına yerleştirilmiş elektrolit bulunur. Şekil 2.16’dan da görüldüğü gibi hava, katot yüzeyi üzerinden geçer. Elektronlar katoda doğru bir dış devre yoluyla taşınırken hidrojen iyonları da elektrolit yoluyla oksijen elektroda göç ederler. Katotta oksijen ve hidrojen iyonları ile elektronların reaksiyona girmesiyle su elde edilir. Elektronların dış devre yoluyla akışı ile elektrik üretir. Yakıt kullanımındaki yüksek verim nedeniyle, bu elektrokimyasal işlemden çıkan yan ürünler, ısı, buhar halinde su ve anottan katoda elektron akışından doğan elektrik akımıdır. "Yakıt dönüştürücü" içeren bir yakıt pili sistemi hidrojeni herhangi bir hidrokarbondan-doğalgazdan, metanolden ve hatta benzinden elde edebilir [35].

Yakıt hücresi çalışma mekanizması suyun elektrolizinin tam tersidir. Yakıt hücresi için reaksiyon formülü aşağıdaki gibidir [20].

Anotta

H2=2H⁺ + 2e^- Katotta

2

1O2+2H⁺ + 2e^-=H2O

Toplam reaksiyon;

şeklinde gerçekleşir.

Bu tepkime sonucunda elektrik, su ve bir miktar ısı açığa çıkar. Açığa çıkan bu ısı miktarı evsel veya herhangi bir uygulama için kullanılarak yakıt hücresinden elde edilen toplam verim arttırılabilir.

2.3.2.3. Yakıt hücresinin çeşitleri

Genel olarak yakıt pilleri çalışma sıcaklıkları bakımından iki kategoriye ayrılmaktadır. Bunlar; düşük sıcaklıklı ve yüksek sıcaklıklı yakıt pilleridir [35].

Düşük sıcaklıklı yakıt pilleri;

• Alkalin yakıt pili (AFC)

• Katı polimer yakıt pili (PEMFC)

Yüksek sıcaklıklı yakıt pilleri;

• Erimiş karbonatlı yakıt pilleri (MCFC),

• Fosforik asit yakıt pilleri (PAFC),

• Katıoksit yakıt pilleri (SOFC)

Yakıt hücreleri, kullandıkları yakıt ve/veya oksidanta göre de şu biçimde sınıflara ayrılır:

• Gaz reaktantlı (Hidrojen, amonyak, hava ve oksijen gibi)

• Sıvı yakıtlı (Alkoller, hidrazin, hidrokarbonlar)

• Katı yakıtlı (Kömür, hidritler)

Bugünkü uygulamalarda çoğunlukla alkalin yakıt pilleri ve fosforik asit yakıt pilleri kullanılmaktadır. Alkalin yakıt pilleri ABD’de geniş bir alanda kullanılırken, fosforik asit yakıt pilleri ise uzay çalışmalarında tercih edilmektedir. Taşıtlara yönelik uygulamalar için katı polimer yakıt pili (PEM) kullanılmaktadır. Sabit tesis enerji üretim santralleri için ise katı oksit yakıt pili (SOFC) ve erimiş karbonat yakıt pili (MCFC) kullanılmaktadır [19].

Çizelge 2.1’de yakıt pili çeşitleri uygulama alanları, avantajları ve dezavantajları yönünden karşılaştırılmaktadır [19,20].

Çizelge 2.1. Yakıt hücresi çeşitlerinin karşılaştırılması [19,20]

Yakıt pili

Çeşitleri Uygulamaları Avantajları Dezavantajları

PEMYP

Elektrik Taşınabilir güç Ulaşım

Ordu,uzay

Katı elektrolit aşınma ve kontrol sorunlarını azaltır

Düşük sıcaklık Çabuk çalışma

Düşük sıcaklık pahalı katalizörlere ihtiyaç

Yakıt içindeki pisliklere karşı aşırı duyarlılık

AYP Ordu

Uzay

Alkali elektrolit kullanımında katot tepkimesi daha hızlı gerçekleşir

Yüksek performans

Yakıt ve havadaki karbon dioksitin ortadan kaldırılması maliyeti arttırır.

FAYP

Elektrik Ulaşım Ordu

Yakıt olarak saf olmayan hidrojen kullanılabilme

Pt katalizörler Düşük akım ve güç Büyük boyut / kütle EKYP Elektrik

Yüksek sıcaklık avantajları

Yüksek sıcaklık, pil

bileşenlerinin aşınmasına ve kırılımına neden olur.

SOFC Elektrik

Aşınma ve kontrol sorunları azalır

Yüksek sıcaklık, pil

bileşenlerinin kırılımına neden olur

Yakıt pili kullanımının birçok avantajı vardır. Bu avantajlar, aşağıdaki gibi sıralanabilmektedir [19,20,21]:

• Çevre dostudur

• Doğrudan enerji dönüşümü (yakma yok)

• Hareketli parça olmaması

• Gürültü kirliliği oluşturmaz, sessiz çalışır

• Düşük sıcaklık birimlerinin mümkün olması

• Yüksek verimle çalışır

• Boyutları küçüktür

• Modülerdirler

• İnşa edilecek alanda çok az çevre kısıtlamaları gerektirirler

• Kısa sürede ve kullanıcıya yakın inşaa edilebilirler

• Yakıt olarak saf hidrojenin yanı sıra doğal gaz, metanol veya kömür gazları kullanılabilir

• Minimum seviyede kükürt oksit ve azot oksit emisyonları bulunur

• Katı atık problemleri yoktur.

• Atık ısıları kullanılabilirdir.

Yakıt pili kullanımının avantajlarının yanında bazı dezavantajları da vardır. Bu dezavantajlar, aşağıdaki gibi sıralanabilmektedir:

• Üretimi pahalıdır.

• Çok yeni bir teknoloji olduğu için Türkiye’de kullanımı azdır.

• Sıvı hidrojenin muhafazası petrolün neredeyse 4 katıdır.

• Nükleer, güneş, biyoenerji ve rüzgar enerjisiyle üretilecek hidrojen üretiminden CO2 atığı çıkmazken, kömürden üretimde ton başına 600 milyon, doğalgazdan üretimde de 300 milyon partikül havaya karışmaktadır.

(Kömürden üretim yer altında yapılması halinde bu risk ortadan kalkacaktır.)

2.3.3. PEM (Proton değişim zarlı) yakıt pili ve eşdeğer devre modelinin elde edilmesi

Bu tip yakıt hücrelerinde elektrolit olarak polimer madde kullanıldığı için “Proton Değişim Zarlı” (PEM - Katı Polimer yakıt pili - SPFC) yakıt pili adı verilmiştir.

Kullanılan elektrotlar ise karbon yapılıdır. Kullanılan polimer zar ince küçük ve hafiftir. PEM yakıt pilinin en önemli özelliği proton iletim özelliği olan bir zara sahip olmasıdır. Bu zarın su, yakıt, oksijen ve havadaki diğer gazları geçirmeyen özelliklerde ısıl, mekanik ve kimyasal direnci yüksek bir malzemeden yapılmış olması gerekmektedir [21].

PEM yakıt pilleri taşıt uygulamaları için en uygun olanıdır. NASA için General Elektrik (GE) tarafından bu yakıt pillerinin ilki geliştirilmiştir. PEM yakıt hücresinin uzay uygulamalarındaki üstünlükleri; bataryayla mukayese edildiğinde, yüksek enerji yoğunluğuna sahip olması, sıvı elektrolitin aşındırıcı etkisinin olmayışı ve plaka tasarımının kolay oluşudur [20]. Tez kapsamında incelenen PEM tipi hücrenin resmi Resim 2.5’de verilmektedir.

Resim 2.5. Bir PEM tipi yakıt pili (Ballard Nexa 1.2kW)

PEM yakıt hücresinin eşdeğer devre modelinin elde edilmek için farklı çıkış güçlerine sahip üç adet PEM yakıt hücresi akım dalgalanması ve verim açısından karşılaştırılarak eşdeğer devre modeli çıkarılmıştır [33]. Hücrenin DA eşdeğer devresini elde etmek için yapılan deneylerin sonuçları aşağıda verilmiştir.

Yakıt Hücresi Çeşidi Vo,yüksüz

[V] Vtaban

[V] Itaban

[A] Ptaban

[W] Rtaban

[Ω]

SR-12 40.6 28.9 17.3 500 1.67

NEXA 42.2 26.6 45 1200 0.59

BCS 19.2 12 25 300 0.48

Burada;

Vo,yüksüz= Yüksüz çıkış gerilimi

Vtaban= Tam yükteki yakıt hücre yığını gerilimi Itaban= Tam yük akımı (RMS)

Vtaban= Çıkış gücü Rtaban= İç direnç

Bu sonuçlara göre yakıt hücresinin DA eşdeğeri genel olarak Şekil 2.17’deki gibi bir bataryanın DA eşdeğerine benzer şekilde modellenebilir.

Şekil 2.17. PEM Yakıt hücresinin DA eşdeğer devre modeli

Buradan gerilim regülasyon katsayısı (VRF) hesaplanırsa;

tamyük o

tamyük o yüksüz o

V V VRF V

, ,

, −

= (2.11)

Yakıt hücresinin tam yük çekmesi durumunda çıkış gerilimi;

Vo,tamyük= Vo,yüksüz - RpItamyük (2.12)

Eşitlikleri birim değerler cinsinden yazmak, sistemleri karşılaştırmak açısından faydalıdır. Gerilim ve akım değerlerinin tam yük değerinin taban değerler olarak seçilmesi ve direncin taban değerinin;

tamyük tamyük taban

I

Z =V (2.13)

biçiminde hesaplanması ile iç direnç birim değeri;

taban p birim

p Z

R _, = R (2.14)

olarak elde edilir. Böylece VRF değeri yeniden yazılabilir;

birim

Rp

VRF = _, (2.15)

Buradan yakıt hücresinin VA (Volt-Amper) değeri şu biçimde yazılabilir:

VA= Vo,yüksüz Itamyük (2.16)

Bu büyüklüğün birim değeri için,

taban taban

tamyük yüksüz o birim

I V

I

VA =V ^, (2.17)

buradan,

VAtaban=VRF+1 (2.18)

Şekil 2.18. PEM yakıt hücrelerinin I-V karakteristiği [33]

Yukarıdaki eşitlikler dikkate alındığında VRF değeri çok küçük olan yakıt hücrelerinin verimlerinin daha yüksek olacağı görülmektedir. Bu çalışmadan sonra PEM yakıt hücresinin AA eşdeğer devresini modellemeye yönelik ölçümler yapılmıştır [33]. Bunun için hücreler belli bir çalışma noktasındayken, hücrelere 0.1 Hz -10 kHz aralığında çeşitli frekanslarda küçük genlikli AA işaretler uygulanmış, hücrelerin frekans tepkisi ölçülmüştür. Deneyler farklı DA çalışma noktaları için tekrarlanmıştır. Bu deneylerden elde edilen empedans değerleri genlik ve faz değişimlerini gösterecek biçimde aşağıdaki gibi çizilmiştir [33].

Şekil 2.19. Yakıt hücrelerine 0.1Hz -10 KHz aralığında değişen frekanslar uygulanarak elde edilen genlik ve faz değişimleri [33]