T.C.
DÜZCE ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
DÜZCE İLİ ŞARTLARINDA GÜNEŞ ENERJİSİ İLE
AKILLI TARIMSAL SULAMA UYGULAMASI
MEHMET OKTAY ÇETİNÇALI
YÜKSEK LİSANS TEZİ
ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI
DANIŞMAN
DOÇ. DR. ALİ ÖZTÜRK
T.C.
DÜZCE ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
DÜZCE İLİ ŞARTLARINDA GÜNEŞ ENERJİSİ İLE AKILLI
TARIMSAL SULAMA UYGULAMASI
Mehmet Oktay ÇETİNÇALI tarafından hazırlanan tez çalışması aşağıdaki jüri tarafından Düzce Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı’nda YÜKSEK LİSANSTEZİ olarak kabul edilmiştir.
Tez Danışmanı
Doç. Dr. Ali ÖZTÜRK Düzce Üniversitesi
Jüri Üyeleri
Prof. Dr. Nedim TUTKUN
Düzce Üniversitesi _____________________
Doç. Dr. Ali ÖZTÜRK
Düzce Üniversitesi _____________________
Yrd. Doç. Dr. Faruk YALÇIN
Sakarya Üniversitesi _____________________
BEYAN
Bu tez çalışmasının kendi çalışmam olduğunu, tezin planlanmasından yazımına kadar bütün aşamalarda etik dışı davranışımın olmadığını, bu tezdeki bütün bilgileri akademik ve etik kurallar içinde elde ettiğimi, bu tez çalışmasıyla elde edilmeyen bütün bilgi ve yorumlara kaynak gösterdiğimi ve bu kaynakları da kaynaklar listesine aldığımı, yine bu tezin çalışılması ve yazımı sırasında patent ve telif haklarını ihlal edici bir davranışımın olmadığını beyan ederim.
19 Temmuz 2017
TEŞEKKÜR
Yüksek lisans öğrenimimde ve bu tezin hazırlanmasında gösterdiği her türlü destek ve yardımlarından dolayı çok değerli hocam Doç. Dr. Ali ÖZTÜRK’e en içten dileklerimle teşekkür ederim.
Bu çalışma boyunca yardımlarını ve desteklerini esirgemeyen sevgili aileme sonsuz teşekkürlerimi sunarım.
İÇİNDEKİLER
Sayfa No
ŞEKİL LİSTESİ ... VIII
ÇİZELGE LİSTESİ ... IX
HARİTA LİSTESİ ... X
KISALTMALAR ... XI
SİMGELER ... XII
ÖZET ... XIII
ABSTRACT ... XIV
1.
GİRİŞ ... 1
1.1. KAPSAM VE LİTERATÜR ... 12.
ŞEBEKEYE BAĞLI OLMAYAN PV SİSTEMLER ... 6
2.1. ŞEBEKEYE BAĞLI OLMAYAN PV SİSTEM BİLEŞENLERİ ... 7
2.1.1. PV Paneller ... 7
2.1.1.1. PV Paneli Çeşitleri ... 10
2.1.2. Aküler ... 11
2.1.2.1. Akü Nominal Kapasitesi... 11
2.1.2.2. Deşarj Derinliği ... 13
2.1.2.3. Akülerin Gruplanması ve Bağlantılarının Yapılması ... 13
2.1.2.4. Akülerde Verim ... 13
2.1.2.5. Akü Şarj Kontrol Ünitesi ... 14
2.1.3. Eviriciler ... 14
3.
TARIMSAL SULAMA ... 16
3.1. TÜRKİYE’ DE TARIMSAL SULAMA ... 16
3.2. DÜZCE İLİNDE TARIMSAL SULAMA ... 16
3.3. TARIMSAL SULAMA TEKNİKLERİ ... 17
3.3.1. Yüzey Sulama Yöntemleri... 17
3.3.2. Basınçlı Sulama Yöntemleri ... 18
3.3.3. Yüzeyaltı (Sızdırma) Sulama Yöntemi ... 19
4.1. ŞEBEKEDEN BAĞIMSIZ PV TARIMSAL SULAMA SİSTEMİNİN
BOYUTLANDIRILMASI ... 20
4.1.1. Günlük Su Gereksiniminin Belirlenmesi ... 21
4.1.2. Toplam Dinamik Yükseklik ... 21
4.1.3. Pompa Hidrolik ve Mekanik Gücü ... 22
4.1.4. Şebekeden Bağımsız PV Sistemin Tasarlanması ... 23
4.2. DÜZCE İLİ ŞARTLARINDA ŞEBEKEYE BAĞLI OLMAYAN AKÜLÜ PV ENERJİLİ DAMLA SULAMA SİSTEMİNİN BOYUTLANDIRILMASI ... 25
5.
PV ENERJILİ AKILLI TARIMSAL SULAMA SİSTEMLERI .. 31
5.1. AKILLI SİSTEMLER ... 31
5.1.1. Arduino ... 31
5.1.1.1. Arduino Bileşenleri ... 31
5.1.2. Raspberry Pi ... 32
5.1.3. Kısa Mesafeli Kablosuz Ağlarının Karşılaştırması ... 32
5.2. FOTOVOLTAİK AKILLI TARIMSAL SULAMA SİSTEMİNDE KULANILAN ARAÇ GEREÇLER ... 33
5.2.1. Arduino Kontrol Devresinde Kullanılan Elemanlar ... 33
5.2.1.1. Arduino Uno ... 33
5.2.1.2. Toprak Nem Sensörü ... 34
5.2.1.3. DHT11 Hava sıcaklık ve Nem Sensörü ... 35
5.2.1.4. ACS712 Akım Sensörü ... 35
5.2.1.5. HC-05 Bluetooth Modül ... 36
5.2.1.6. 220/5V Röle Modül ... 36
5.2.1.7. LCD Ekran (LM016L) ... 36
5.2.1.8. 7805 Voltaj Regülatörü ... 37
5.2.2. Şebekeye Bağlı Olmayan PV Sisteminde Kullanılan Cihazlar ve Elemanlar ... 38
5.2.2.1. Polikristal Silisyum PV Panel ... 38
5.2.2.2. Tam Sinüs Evirici ... 38
5.2.2.3. Valf Regüleli Kurşun Asit (VRLA) Jel Akü ... 39
5.2.2.4. 1 HP Dalgıç Pompa ... 39
5.3. DÜZCE ŞARTLARINA UYGUN GÜNEŞ ENERJİLİ AKILLI TARIMSAL SULAMA MODELİNİN KURULMASI VE TEST EDİLMESİ ... 39
5.3.1. Kontrol Panosunun Tasarımı ... 40
5.3.1.1. Enerji Elde Edilmesi ... 40
5.3.1.2. Toprak Nem Sensörü ile Dalgıç Pompa Kontrolü ... 41
5.4. PV AKILLI TARIMSAL SULAMA SİSTEMİ VERİLERİ İZLENMESİ VE ARIZA BİLDİRİMİ ... 42
5.4.1. Akıllı Telefona Gelecek Sistem Verileri ... 42
5.4.2. Arıza Bildirimi ... 44
5.4.3. WatchPower Programı ile PV Sistemin İzlenmesi... 45
5.4.4. Android Tabanlı Akıllı Cep Telefonu ile Uzaktan Veri Alımı ... 46
6.
SONUÇLAR VE ÖNERİLER ... 47
7.
KAYNAKLAR ... 49
8.
EKLER ... 52
EK-1. PV ENERJİLİ AKILLI TARIMSAL SULAMA SİSTEMİ UYGULAMASINDA KULLANILAN ARAÇ GEREÇLERE AİT TEKNİK ÖZELLİKLER ... 52
EK-2. SİSTEM VERİLERİNİN ARDUINO UNO İLE LCD EKRANA YAZILIMI İÇİN KULLANILAN PROGRAM KODLARI ... 55
EK-3. UZAKTAN HABERLEŞME AMAÇLI ARDUINO UNO İÇİN MIT APP INVENTER PROGRAMINDA YAZILAN KODLAR ... 60
ŞEKİL LİSTESİ
Sayfa No
Şekil 1.1. Türkiye'de 2016 yılı itibarı ile kurulu gücün kaynaklara göre dağılımı. ... 2
Şekil 2.1. PV sistemin bileşenleri ve bağlantıları. ... 7
Şekil 2.2. PV hücre, modül ve paneli. ... 8
Şekil 2.3. PV hücre kısa devre akımı (ISC)... 8
Şekil 2.4. PV hücre açık devre gerilimi (VOC). ... 8
Şekil 2.5. PV hücre basit eşdeğer devresi. ... 9
Şekil 2.6. PV hücreye ilişkin akım ve gerilim ilişkisi. ... 10
Şekil 2.7. Akü Nominal kapasitesinin deşarj süresi ile değişimi. ... 11
Şekil 2.8. DA DA Yükseltici çevirici bobin akımı. ... 14
Şekil 2.9. DA DA Yükseltici çevirici diyot akımı. ... 14
Şekil 2.10. DA DA Yükseltici çevirici bobin akımı. ... 14
Şekil 2.11. DA DA Yükseltici çevirici bobin gerilimi. ... 15
Şekil 2.12. DA DA Yükseltici dönüştürücülü evirici devresi. ... 15
Şekil 3.1. Türkiye’nin kullanılabilir su potansiyeli. ... 16
Şekil 3.2. Tarımsal sulama yöntemleri. ... 17
Şekil 3.3. Damlama sulama yöntemi. ... 19
Şekil 4.1. PV sistemi ile çalışan pompa sistemi diyagramı. ... 20
Şekil 5.1 Kısa mesafeli kablosuz ağların karşılaştırılması. ... 32
Şekil 5.2. Arduno Uno. ... 33
Şekil 5.3. Toprak nem sensörü. ... 34
Şekil 5.4. Hava sıcaklık ve nem sensörü. ... 35
Şekil 5.5. ACS712 akım sensörü. ... 35
Şekil 5.6. HC-05 Bluetooth modül. ... 36
Şekil 5.7. 220/5V röle modül. ... 36
Şekil 5.8. LCD ekran. ... 36
Şekil 5.9. Polikristal silisyum PV paneller. ... 38
Şekil 5.10. Evirici bağlantıları. ... 38
Şekil 5.11. Valf regüleli kurşun asit jel akü (12 V 100 Ah). ... 39
Şekil 5.12. 1 HP Dalgıç pompa.ve teknik özellikleri. ... 39
Şekil 5.13. Evirici ve akü bağlantıları. ... 40
Şekil 5.14. Evirici ve kontrol panoları. ... 40
Şekil 5.15. Evirici ekran göstergesi. ... 41
Şekil 5.16. Gerilim bölücü devre. ... 41
Şekil 5.17. MIT App Inventor tasarım ekranı. ... 42
Şekil 5.18. Blok şemalar ile kodlama. ... 43
Şekil 5.19. Tasarlanan Android uygulama. ... 43
Şekil 5.20. HC-05 bağlantı kurma ekranı. ... 43
Şekil 5.21. Verilerin uzaktan izlenmesi. ... 44
Şekil 5.22. SMS arıza bildirimleri. ... 44
Şekil 5.23. WatchPower programı. ... 45
Şekil 5.24. Sistem çalışırken alınan veriler. ... 45
ÇİZELGE LİSTESİ
Sayfa No
Çizelge 1.1. Lisanssız yenilenebilir enerji tesislerinin kaynaklara göre dağılımı. ... 1
Çizelge 2.1. PV sistemlerin olumlu ve olumsuz yanları. ... 6
Çizelge 2.2. Akü deşarj karakteristiği. ... 12
Çizelge 2.3. Akü deşarj karakteristiği. ... 12
Çizelge 3.1. Düzce ilinde sektörlere göre su kullanımı. ... 17
Çizelge 4.1. Tasarlanacak sistem verileri. ... 21
Çizelge 4.2. Düzce ili senelik fındık üretim miktarları... 25
Çizelge 4.3. Düzce ili Akçakoca ilçesi fındık bitkisi 10 günlük sulama suyu ihtiyacı. .. 26
Çizelge 4.4. Tasarlanacak sistem verileri. ... 27
Çizelge 5.1. ZigBee, bluetooth ve wi-fi kablosuz ağlarının karşılaştırılması. ... 33
HARİTA LİSTESİ
Sayfa No Harita 1.1. Türkiye güneş enerjisi potansiyel atlası (GEPA). ... 1 Harita 1.2. Almanya güneş enerjisi potansiyeli atlası. ... 2
KISALTMALAR
% Yüzde
AA Alternatif Akım
AREF Analog Reference
a-Si Amorf silisium
CdTe Cadmium telluride
CİGS Copper indium gallium diselenide
DA Doğru Akım
DoD Depth of Discharge/ Deşarj Derinliği DSSC Dye sensitized solar cell
GEPA Güneş enerjisi potansiyel atlası
GND Ground
IEEE İnstitute of Electrical and Electronics Engineers LCD Liquid Crystal Display / Sıvı Kristal Ekran
LEPA Low Energy Precision Application / Düşük enerjili hassas sulama mc-Si Multikristal silisium
MİT APP Massachusetts İnstitude of Technology Application Off Grid Şebekeye Bağlı Olmayan
PEC Photoelectrochemical
PLC Programmable Logic Controleer / Programlanabilir Mantıksal Denetleyici
PPPT Maximum Power Point Tracking
PS Peak-Saat
PV Photovoltaic
PWM Pulse Width Modulation / Sinyal Genişlik Modülasyonu
SMS Short Message Service
TDY Toplam Dinamik Yükseklik
USB Universal Serial Bus / Evrensel Seri Veriyolu
vb. Ve benzeri
WLAN Wireless Local Area Network
WPAN Wireless Personel Area Network
SİMGELER
A Amper
Ah Amper saat
Dn Net sulama suyu ihtiyacı
DOD Batarya deşarj derinliği
Dt Toplam sulama suyu ihtiyacı
Ea Su uygulama randımanı
EBat Batarya enerji kapasitesi
Ec Su iletim verimi
EL Ortalama günlük enerji ihtiyacı
ETC Bitki su tüketimi
Hd Derin kuyu ya da su kaynağında debiye bağlı meydana gelen seviye düşümü
Hf Toplam sürtünme kaybı
Hg Geometrik yükseklik
HP HorsePower / Beygir gücü
Hp Sistemin çıkışında istenen basınç veya işletme basıncı
Hv Pompalanan suyun hız enerjisidir
IL Ortalama yük akımı
ISC Panel Kısa devre akımı
kg Kilogram
kWh KiloWatt Saat
m2 Metrekare
m3 Metreküp
MW Mega Watt
Ƞbat Batarya verimi
Ƞinv Evirici verimi
NP Paralel bağlı panel sayısı
Ƞpv PV panel verimi
NS Seri bağlı panel sayısı
Pe Etkili yağış
Pelk Pompa elektriksel giriş gücü
Ph Hidrolik güç
Pmek Mekanik güç
Ps Bitki tarafından gölgelenen alan yüzdesi
s Saniye
Te Düzeltilmiş bitki su tüketimi
V Volt
VDC Şarj regülatörü çıkış voltajı
VNOM Panel nominal voltajı
Wp Weather permitting
ÖZET
DÜZCE İLİ ŞARTLARINDA GÜNEŞ ENERJİSİ İLE
AKILLI TARIMSAL SULAMA UYGULAMASI
Mehmet Oktay ÇETİNÇALI Düzce Üniversitesi
Fen Bilimleri Enstitüsü, Elektrik Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı Yüksek Lisans Tezi
Danışman: Doç. Dr. Ali ÖZTÜRK Temmuz 2017, 62 sayfa
Son zamanlarda tarımsal sulamada fotovoltaik (PV) enerjinin kullanımı önemli oranda artmıştır. Bu çalışmada, Düzce ili şartlarında kullanılabilecek şebekeye bağlı olmayan akıllı tarımsal sulama sistemi tasarlanmış ve uygulaması gerçekleştirilmiştir. PV enerji dönüşümü ile akıllı tarımsal sulamaya yönelik bir sistemin tasarım aşamaları ve gerekli hesaplamalar farklı senaryolar üzerinde ayrıntılı olarak verilmiştir. PV tarımsal sulama sisteminin nasıl kurulacağı ve sağladığı faydalar örnek modeller ile açıklanarak tarım alanında çalışanlar için uygulanabilir bir model olarak tavsiye edilmiştir. Bu çalışmada toprak nemi, sistem arıza durumu gibi bilgilerin cep telefonu ile uzaktan kontrolünün sağlandığı ve aynı zamanda izlenebildiği akıllı bir tarımsal sulama sistemi uygulanmıştır. Kurulan sistem PV enerjisinden elektrik enerjisi üretimi yapan sistemler için de bir yenilik niteliğindedir.
Anahtar sözcükler: Akıllı sistemler, Güneş enerjisi, Şebekeye bağlı olmayan PV
ABSTRACT
IMPLEMENTATION OF A SOLAR-POWERED SMART IRRIGATION SYSTEM IN DÜZCE CONDITIONS
Mehmet Oktay ÇETİNÇALI Duzce University
Graduate School of Natural and Applied Sciences, Department of Electrical & Electronics Engineering
Master of Science Thesis Supervisor: Assoc. Prof. Ali ÖZTÜRK
July 2017, 62 pages
Recently, the use of photovoltaic (PV) energy in agricultural irrigation has increased significantly. In this study, smart agricultural irrigation system which is off-grid that can be used in Düzce province was designed and implemented. The design steps and the necessary calculations of a system for smart agricultural irrigation with PV energy conversion are detailed on different scenarios. PV irrigation system is explained as an example model and it is recommended as an applicable model for agricultural workers. In this study, smart agricultural irrigation system was applied which can be monitored and remote controlled with the datas of soil moisture sensor, system failure status by mobile phone The installed system is also an innovation for the systems that produce electricity from PV energy.
Keywords: Smart Systems, Solar Energy, Off-Grid Photovoltaic Systems, Agricultural
1. GİRİŞ
1.1. KAPSAM VE LİTERATÜR
Türkiye’nin en önemli yenilenebilir enerji kaynaklarından birisi olan güneş enerji sistemlerinin elektrik üretimine katkısı giderek artmaktadır. Çizelge 1.1’de görüldüğü üzere 2015 Yılında Lisanssız Güneş Enerji Sistemlerinin kurulu güç toplamı 292,91 MW iken bu oran 2016 yılında 939 MW mertebelerine yükselmiştir [1].
Çizelge 1.1. Lisanssız yenilenebilir enerji tesislerinin kaynaklara göre dağılımı.
Kaynak türü 2015 2016
Kurulu güç (MWe) Oran % Kurulu güç (MWe) Oran %
Güneş (Fotovoltaik) 292,91 81,58 939,19 89,6 Doğal gaz 36,47 10,16 51,85 4,95 Biyokütle 21,44 5,97 36,42 3,47 Rüzgâr 6,02 1,68 13,75 1,31 Hidrolik 1,7 0,47 5,78 0,55 Güneş (Yoğunlaştırılmış) 0,5 0,14 1,22 0,12 Genel Toplam 359,04 100,00 1.048,21 100,00
Türkiye’nin ortalama yıllık güneş enerjisi potansiyeli 1311 kWh m2/yıl iken Düzce’nin yıllık güneş enerjisi potansiyeli 1400-1450 m2/yıl civarındadır [2]. Örneğin, Almanya’nın en verimli bölgesinin yıllık güneş enerjisi potansiyeli ise 1257 kWh m2/yıl olduğu Harita 1.2’de görülmektedir [3].
Harita 1.1. Türkiye güneş enerjisi potansiyel atlası (GEPA).
Almanya, Türkiye’nin en az güneş enerjisi potansiyeline sahip illerinden olan Düzce’ye kıyasla daha düşük bir potansiyele sahip olmasına karşın 2012 yılı verilerine göre toplam
PV sistem kurulu gücü 32.411 MW olup dünyada ilk sırada yer almaktadır [4]. Bunun en önemli nedenlerinden biri devlet politikası olarak güneş enerjisine çok büyük yatırımlar yapmaları ve ileride geleneksel fosil yakıtlardan (kömür, mazot vb.) enerji üretimini azaltmayı hedeflemeleridir.
Harita 1.2. Almanya güneş enerjisi potansiyeli atlası.
Türkiye’de 2016 yılı verilerine göre kurulu gücün diğer kaynaklara göre dağılımında PV sistemlerin %0,02 oranında olduğu görülmüştür [1]. PV panel maliyetlerinin yüksek olması PV sistem kurulumları açısından en önemli engeli oluşturmaktadır. Son yıllarda Yenilenebilir Enerji Kaynaklarını Destekleme Mekanizması (YEKDEM) gibi devlet teşviklerinin artması ile birlikte PV sistem kurulumları da artmaya başlamıştır.
Şekil 1.1. Türkiye'de 2016 yılı itibarı ile kurulu gücün kaynaklara göre dağılımı.
Enerji Piyasası Düzenleme Kurumu 2016 yılı verilerine göre lisansız üretim santrallerinin dağıtım şebekesine verilen enerji miktarının 2015 yılında %83’ü güneş enerji santrallerinden oluşurken bu oran 2016 yılı sonu itibarı ile %90 civarına yükselmiştir [1]. Şebekeye bağlı olmayan PV sistemlerinin kurulum aşamasında genellikle yasal prosedür izlenmemesi veya projelendirilmeden tesis edilmesi sonucunda enerji üretimindeki payı belirlenememektedir. PV panel fiyatlarının düşmesi, halkın yenilenebilir enerji
kaynakları hakkında bilgi sahibi olması yenilenebilir enerji kaynakları ile ilgili farkındalığın artması, devlet teşvikleri gibi etmenler özellikle PV sistemlerinin hızla yaygınlaşmasına olanak sağlamaktadır. 2017 yılında Enerji Bakanlığının ilkokul öğrencilerine yönelik enerjinin nasıl üretildiği ve verimli kullanılabileceği hakkında yayınlamış olduğu enerji dergisi ile çocukların yenilenebilir enerji hakkında bilgi sahibi olmaları hedeflenmektedir.
Düzce’de tarımsal sulama için elektrik dağıtım hatlarının yetersiz veya olmadığı alanlarda genellikle petrol gibi fosil yakıtlar kullanılmaktadır. Bu sistemlerin en büyük dezavantajı yakıt maliyetlerinin yüksek olmasıdır. Kurulum maliyetleri yüksek olsa da güneş enerjisi ile elektrik üretimi yapan akıllı PV sulama sistemleri önemli avantajlar içermekte ve özellikle ulaşımı zor tarımsal arazilerin düzenli sulanmasına, arıza takiplerinin uzaktan yapılabilmesine olanak sağlamaktadır. Tarımsal sulamada PV enerji sistemlerinin başlangıç yatırımlarının yüksek olması sistem kurulumlarında hesaplamalar ve dizayn konusunun daha hassas olarak ele alınmasını gerektirmektedir. Kurulumun yapılacağı bölgedeki güneş ışınım ve süreleri, pompanın hangi sulama kaynağında çalışacağı dolayısı ile pompa çeşidi, gerekli su miktarı, toplam dinamik yükseklik, kullanılacak panel cinsleri ve bunların verimliliği, pompa sistemlerinde kullanılacak borunun cinsi ve çapı, yetiştirilecek ürünlerin su ihtiyaçları, sulama süresi, sulama haricinde olan enerji ihtiyacı gibi etmenler tasarımlara etki eden en önemli unsurlardandır.
2050 yılı itibarı ile dünyadaki elektrik enerjisi üretiminin %11’nin PV sistemler ile karşılanacağı öngörülmektedir [4]. PV ve hibrit enerji uygulamaları konusunda giderek artan birçok çalışma yapıldığı görülmektedir. Bahsedilen çalışmalardan bazıları aşağıda belirtilmiştir:
Akkan ve arkadaşları tarafından yapılan çalışmada akıllı sistemler ve robotik uygulamalarını içeren projelerin yanı sıra bu projelerde kullanılan kablosuz iletişim türleri ve kablosuz iletişim protokollerinin hangi kriterlere göre belirlendiği hakkında bilgiler verilmiştir [5].
Guzman ve arkadaşları Filipinler’de Metro Manila kentinde kaçınılmaz bir doğal afet olan su taşkınları için ultrasonik sensörler ve Arduino Yun ile su seviyesinin artması ile ilgili önceden bilgi verilmesi veya su taşkını durumunda otoyolların durumları ile ilgili (açık veya kapalı olması) o bölgede yaşayan insanların ve yerel yönetimin sisteme tanımlanmış telefonlarına SMS olarak bildirilmesini sağlayacak bir çalışma yapmışlardır [6].
Koçak ve Kırbaş Arduino Uno kullanarak prototip bir akıllı ev tasarımı çalışması yapmıştır. Çalışmada Arduino Uno’nun bilgisayara bağlantısı sağlanarak akıllı telefon ve
tabletler kullanılarak internet üzerinden garaj kapısı kontrolü ve oda aydınlatması açma kapa gibi uygulamaları gerçekleştirilmiştir. Böylece insan hayatının kolaylaştırılması, zaman ve enerji tasarrufu sağlanması amaçlanmıştır [7].
Bakır yapmış olduğu çalışmada akıllı şebekeler için, şebeke bağlantılı PV güç sisteminde gerçekleştirilen Arduino kontrollü bir enerji yönetimi uygulaması önermiş, PV enerji bağlantısına sahip bir güç sisteminde, ZigBee kablosuz ağı ile uzaktan yük kontrolü sağlanarak, akıllı şebeke mimarisi için örnek bir uygulama gerçekleştirmiştir. Sistemde pik talebin azaltılması, elektrik tüketimini daha verimli ve daha akıllı hale getirilerek enerji tasarrufu elde edilmesi amaçlanmıştır [8].
Ingole çalışmasında Arduino Uno ile güneş takip eden sistem yaparak sabit eksenli PV sistemler ile hareketli sistemli PV sistemlerin verimlerini kıyaslamış ve hareketli sistemli PV sistemlerin daha verimli olduğunu belirtmiştir [9].
Teli ve Mani çalışmasında akıllı gerçek zamanlı gömülü Arduino tabanlı veri toplama sistemi yaparak ısı, nem sensörlerinden alınan verileri Arduino Uno platformunu ve PLX DAQ programını kullanarak sensörlerden gelen verilerin excelde kaydedilmesini sağlanmıştır [10].
Çelebi ve Çolak şebeke bağlantılı PV sistemlerin üretmiş olduğu harmoniklerin elektrik şebekesindeki etkilerini incelemek amacıyla PV sistemlerin transformatöre olan uzaklıkları ve sayılarıyla şebekede olan voltaj değişimlerini ve harmonik etkilerini gözlemlemek amacıyla Pspice programında simülasyon yapmışlar ve neticede dağıtım transformatörüne daha yakın olan PV sistemin daha az harmonik bozulma meydana getirdiğini gözlemlemişlerdir [11].
Gençoğlu ve arkadaşları Doğu Anadolu Bölgesindeki güneş enerjisi potansiyelini değerlendirmek amacıyla, sistem enerji ihtiyacına göre PV, rüzgâr enerjisi ve şebeke ile sistemin farklı enerji kaynaklarından beslenmesini PLC ile organize eden bir sistem tasarlamışlardır [12].
Köksal çalışmasında farklı güneş ışınımı değerlerinde PV sistemin verimliliğinin yanı sıra PV sistem tarafından üretilen enerji ile çalıştırılan üç farklı dalgıç pompanın basmış olduğu su debilerini, 4 inç ve 6 inç çapında dalgıç pompaların hidrolik güç değerlerini ve verimlerini hesaplamış, 4 inç on bir kademli dalgıç pompanın veriminin %46, 6 inç altı kademeli pompanın verimini %42, 6 inç üç kademeli pompanın verimini ise %56,6 olduğunu belirtmiştir [13].
Bione ve arkadaşları Brezilya’da sabit eksenli panel ve güneş izleme sistemine sahip hareketli PV panel sistemine sahip sulama sistemlerinin verimliliğini incelemiş ve
hareketli PV panel sisteminin, sabit eksenli PV panel pompa sistemine göre senede 1.48 kat daha fazla su pompalandığını tespit etmiştir [14].
Campana ve arkadaşları PV sulama sistemlerinin gereğinden büyük olması durumunda fazladan su pompalamak için harcanacak enerjinin yerine bu enerjiyi şebekeye aktarma konusunda bir simülasyon çalışması yapmıştır [15].
Şenol çalışmasında akarsu ve göllerin de bulunduğu Eğridir bölgesinde tarımsal sulama için dizel pompalı sulama sistemini, bir çiftçinin sulama ihtiyacına göre tasarlanmış mobil PV sulama sistemini ve 4 çiftçinin sulama ihtiyacına göre tasarlanmış mobil PV sulama sisteminin devlet teşviklerini göz önünde bulundurarak yaşam boyu maliyet analizlerini yapmış ve neticede dizel yakıt maliyetlerinin yüksek olması nedeni ile mobil PV sulama sistemlerinin daha makul olduğunu belirtmiştir [16].
Al-Ali ve arkadaşları Suudi Arabistan’da nem sensörü sıvı seviye sensörü, kontrol valfi bulunan portatif otomatik PV sulama sistemi tasarlamışlar ve bu sistemin uzun vadede su ve enerji giderlerini düşürmesi ile geleneksel sistemlere nazaran biraz daha yüksek olan başlangıç maliyetlerini dengeleyeceğini belirtmişlerdir [17].
Geoffrey ve arkadaşları, tarım endüstrisinin mevsimlik yağışlara bağlı olduğu Ruanda’da, 100 m2’lik bir alanın yağmurlu mevsimlerde evlerden borular vasıtası gelen suların, oluşturulan yeraltı tankında biriktirilmesi ile sulamaya ihtiyaç duyulan mevsimlerde kullanılabilmesi için PV sulama sistemi tasarlamışlardır [18].
Bu çalışmada, Düzce İlinde tarımsal alanda kullanılmak üzere PV enerjisi ile akıllı bir sistem uygulaması gerçekleştirilmiştir. Sistemin uygulanması amacıyla öncelikle tarımsal sulamada kullanılacak olan örnek bir sistem göz önünde bulundurulmuş ve bu sistem tasarımı için malzeme seçimi hesaplamalar, sistemin nasıl kurulacağı belirlenerek sistemin kurulumu yapılmıştır. Akıllı cep telefonu ile haberleşme özelliği olan bu sistem test edilmiş ve sistemin başarılı bir şekilde çalıştığı görülmüştür. Elektrik şebekesi bulunmayan tarımsal arazilerde, uygulanacak sulama yöntemi de göz önünde bulundurularak farklı senaryolarla PV sistem tasarım hesaplamaları yapılmıştır.
2. ŞEBEKEYE BAĞLI OLMAYAN PV SİSTEMLER
Güneş pilleri radyasyonu elektrik enerjisine dönüştüren düzeneklerdir. Dönüştürme işleminde herhangi bir hareketli parça bulunmamaktadır. Güneş pillerinin çalışma prensibi, fotovoltaik olayı ile açıklanabilir. Her sistemde olduğu gibi PV sistemlerinde olumlu yanları olduğu gibi olumsuz yanları da vardır. PV sistemlerin olumlu ve olumsuz yanları Çizelge 2.1’de olduğu gibi özetlenebilir [19].
Çizelge 2.1. PV sistemlerin olumlu ve olumsuz yanları. PV sistemlerin olumlu yanları PV sistemlerin olumsuz yanları PV paneller modüler yapıda olduklarından
ihtiyaç halinde sisteme paneller eklenebilir.
PV Sistem kurulumu için geniş alana ihtiyaç vardır.
Enerjinin üretildiği yerde tüketilmesi söz konusu olduğundan enerji iletim ve dağıtım
kayıpları söz konusu değildir.
Enerji üretimi yaz aylarında yeterli olabilir ancak güneş radyasyonunun düşük olduğu kış aylarında daha düşük seviyede üretim ve gece ise üretim söz
konusu değildir. Sistem statik olduğundan bakım
gereksinimleri de azdır.
Güneş radyasyonu değişken olduğundan, üretilen enerjinin tüketilen enerjiden düşük olması ya da gece enerji gereksinim olması durumunda üretilen
enerjinin depolanması gerekir. Fosil yakıt tüketilmeden enerji üretilir. Yatırım maliyetleri yüksektir. Kurulumundan sonra uzun yıllar sorunsuz
olarak çalışabilir.
PV panelleri üzerine herhangi bir şekilde gölge düşmesi durumunda sistem verimliği düşer. Şebekeye bağlı olmayan PV sistemler güç depolayan veya üreten ‘bağımsız’ ve ‘kapalı’ sistemlerdir. Bu sistemlerin kullanıldığı başlıca uygulama alanları aşağıdaki gibi sıralanabilir:
- Haberleşme istasyonları, kırsal radyo, telsiz ve telefon sistemleri, - Petrol boru hatlarının katodik koruması,
- Metal yapıların (köprüler vb.) korozyondan koruması,
- Elektrik ve su dağıtım sistemlerinde yapılan telemetrik ölçümler, - Meteorolojik ve deprem gözlem istasyonları,
- İç ve dış aydınlatma uygulamaları, - Orman gözetleme kuleleri,
- Deniz fenerleri,
- İlkyardım, alarm ve güvenlik sistemleri, - İlaç ve aşı soğutma,
- Yerleşim yerlerinden uzaktaki evlerde, TV, radyo, buzdolabı gibi elektrikli aygıtların çalıştırılması,
- Tarımsal ve evsel kullanım amacıyla su pompalama sistemleri.
2.1. ŞEBEKEYE BAĞLI OLMAYAN PV SİSTEM BİLEŞENLERİ
Şekil 2.1’de şebekeye bağlı olmayan bir PV sistem ve bu sisteme ait bileşenlerin bağlantıları gösterilmiştir. Eviricilerin kendi içinde de akü şarj üniteleri bulunabilmektedir. Bu durumda ayrıca akü şarj ünitesi kullanımına gerek yoktur.
• PV paneller • Aküler
• Akü şarj kontrol ünitesi • Eviriciler
Şekil 2.1. PV sistemin bileşenleri ve bağlantıları.
2.1.1. PV Paneller
PV hücrelerinin çalışma prensipleri p-n jonksiyonlu diyoda benzemektedir. Fotonların p-n jonsiyonunda yarı iletkenin elektron yapısına aktarılması durumunda, boşluk bölgesinde serbest durumda olan elektronlar, p-n yarıiletkenlerin bir iletken ile birleştirilmesi ile bu iletken üzerinden devresini tamamlar ve PV akımı oluşur. Daha yüksek güç elde edebilmek için PV hücreler seri ve paralel bağlanılarak PV modüller, PV modüller seri ve paralel bağlanılarak PV paneller oluşturulur.
Şekil 2.2. PV hücre, modül ve paneli.
PV hücre Kısa devre akımı (ISC) Şekil 2.3’te gösterilmiştir.
Şekil 2.3. PV hücre kısa devre akımı (ISC).
PV hücre Açık devre gerilimi (VOC) Şekil 2.4’te gösterilmiştir.
PV hücresine ait basit eşdeğer devre Şekil 2.5’te verilmiştir.
Şekil 2.5. PV hücre basit eşdeğer devresi.
Elektron yükü (q) 𝑞 = 1,602 ∙ 10−19𝐶 Boltzman sabiti (𝑘)
𝑘 = 1,381 ∙ 10−23 𝑗 𝑘
Jonksiyon sıcaklığı kelvin olarak (T) olmak üzere
Herhangi bir sıcaklıktaki I akımı Denklem (2.1) ve (2.2) ile hesaplanmaktadır.
Diyot gerilimi (Vd) olmak üzereve iletim yönünde diyot akımı (Id) Denklem (2.3) ile hesaplanmaktadır.
Açık devre gerilimi Denklem (2.4) ile hesaplanabilir.
25 0 C için
I
d Denklem (2.5) ile hesaplanabilir.25 0 C için
I
Denklem (2.6) ile hesaplanabilir.𝐼 = 𝐼𝑠𝑐− 𝐼0(𝑒𝑞∙𝑉𝑘∙𝑇𝑑 − 1) (2.1) 𝐼 = 𝐼𝑆𝐶− 𝐼𝑑 (2.2) 𝐼𝑑 = 𝐼0(𝑒𝑞∙𝑉𝑘∙𝑇𝑑 − 1) (2.3) 𝑉𝑂𝐶 =𝑘 ∙ 𝑇 𝑞 𝑙𝑛 ( 𝐼𝑆𝐶 𝐼0 + 1) (2.4) 𝐼𝑑 = 𝐼0(𝑒38,9∙𝑉𝑑− 1) (2.5) 𝐼 = 𝐼𝑠𝑐− 𝐼0(𝑒38,9𝑉− 1) (2.6)
25 °C için VOC Denklem (2.7) ile hesaplanabilir.
PV hücreye ait akım ve gerilim ilişkisi Şekil 2.6’da gösterildiği gibidir.
Şekil 2.6. PV hücreye ilişkin akım ve gerilim ilişkisi.
2.1.1.1. PV Paneli Çeşitleri
PV panelleri, üretim teknolojilerine göre aşağıdaki gibi çeşitlendirilebilir [20]:
• Birinci nesil güneş panelleri (Monokristal ya da Polikristal silisyum pul (wafer) teknolojisi)
• İkinci nesil güneş panelleri (Amorf silisyum (a-Si), Polikristal silisyum ince film (mc-Si), Kadmiyum tellür (CdTe), Bakır indiyum diselenid (CIGS) alaşım) • Üçüncü nesil güneş panelleri (Nanokristal tabanlı güneş hücreleri,
Photoelectrochemical (PEC) hücreler, Gräetzel hücreleri, Polimer tabanlı hücreler, Boya ile duyarlı hâle getirilmiş hücreler [Dye sensitized solar cell (DSSC)
Monokristal silisyum yapısında olan güneş panelleri yüksek verimli ancak üretim maliyetleri yüksek olduğundan polikristal güneş paneller üretilmeye başlanmıştır. Monokristal silisyum güneş panelleri verimleri %15-18,8 civarındadır.
Polikristal silisyum (mc-Si) güneş paneli gerek verimi gerekse birim maliyeti açısından dengelidir ve fiyatı en ucuz güneş paneldir. Birçok güneş enerji santrali polikristal güneş panelleri ile yapılmaktadır. Polikristal silisyum güneş panelleri verimleri %13-17,1 civarındadır.
Amorf silisyum güneş paneller geniş bant aralığında sahip olup güneş ışığını daha fazla absorbe etmektedir. Piyasada bulunan modellerde verim %4-8 civarındadır. Bakır indiyum diselenid (CIGS) İnce film güneş panelleri daha kararlı yapıya sahip olup amorf silisyumdan daha verimlidir. Verimleri %12 civarındadır.
𝑉𝑜𝑐 = 0,0257 ∙ 𝑙𝑛 (𝐼𝑆𝐶
PV paneller genelde 12V-24 V gerilim ve 10 Wp ila 250Wp veya daha büyük güçlerde üretilirler ve ortalama ömürleri 25 yıldır.
2.1.2. Aküler
PV sistemler şebekeye bağlı ve şebekeden bağımsız olarak sınıflandırılabilir. Şebekeden bağımsız ya da hali hazırda elektrik enerjisi ihtiyacının şebeke yoluyla karşılanamayan tesislerde özellikle güneşin gün içerisinde süreksizliğinden ve mevsimsel farklılığından dolayı depolama kaçınılmazdır. Depolama işlemi aküler tarafından yapılmaktadır. PV sistemlerde kullanılan akülerde iki kavram belirleyici bir rol oynamaktadır.
1) Akü Nominal Kapasitesi 2) Deşarj Derinliği
2.1.2.1. Akü Nominal Kapasitesi
Üzerinde yazılı olan Ah (Amper-saat) akünün kapasitesini, diğer bir deyişle depolayabileceği maksimum elektrik enerjisi miktarını gösterir. Bununla beraber akünün deşarj hızı nominal kapasitesini etkiler. Yüksek akım ile deşarj olan bir akünün kapasitesi, düşük akım ile deşarj olması durumuna göre daha azdır. Akü deşarj hızı akü broşürlerinde C değerleri ile belirtilir. Örneğin; C100= 100 Ah kapasite değerine sahip bir akü 100 saat boyunca 1 A akım verdiğinde nominal kapasitesinde kullanılabilecekken, aynı aküden 20 saat süreyle 4 A çekildiğinde daha düşük kapasitede (C20=80 Ah) kullanılmış olur [21].
Şekil 2.7. Akü Nominal kapasitesinin deşarj süresi ile değişimi.
Şekil 2.7’de, Çizelge 2.2 ve Çizelge 2.3’te görüldüğü üzere farklı model akülerde akü deşarjı sırasında düşük akım çekilmesi akü kapasitesini artırır. Yüksek deşarj akımı, akü yaşı ve düşük ortam sıcaklığı akü kapasitesi azaltan etkenlerdir [22].
Çizelge 2.2. Akü deşarj karakteristiği.
Model Nominal Kapasite (Ah) C10
Deşarj süresi (saat)
1 1,5 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12TGİ 40 40 22.5 17.1 13.7 10.2 8.2 6.7 5.8 5.2 4.6 4.2 4.0 12TGİ 60 60 33.7 25.6 20.6 15.3 12.3 10.0 8.7 7.8 7.0 6.3 6.0 12TGİ 80 80 44.9 34.2 27.5 20.5 16.5 13.3 11.6 10.3 9.3 8.4 8.0 12TGİ 100 100 56.2 42.7 34.4 25.6 20.6 16.7 14.5 12.9 11.6 11.6 10.0 2TGİ 120 120 67.4 51.3 41.2 30.7 24.7 20.0 17.4 15.5 13.9 13.9 12.0 2TGİ 160 160 89.9 68.4 55.0 40.9 32.9 26.7 23.2 20.7 18.5 18.5 16.0 2TGİ 200 200 112.4 85.5 68.7 51.2 41.2 33.3 29.0 25.8 23.2 23.2 20.0 2TGİ 240 240 134.8 102.6 82.5 61.4 49.4 40.0 34.8 31.0 27.8 27.8 24.0 2TGİ 280 280 157.3 119.7 96.2 71.6 57.6 46.7 40.6 36.2 32.4 32.4 28.0 2TGİ 300 300 168.5 128.2 103.1 76.7 61.7 50.0 43.6 38.8 34.8 34.8 30.0 2TGİ 320 320 179.8 136.8 110.0 81.8 65.8 53.3 46.4 41.3 37.1 37.1 32.0 2TGİ 360 360 202.2 153.8 123.7 92.1 74.1 60.0 52.2 46.5 41.7 41.7 36.0 2TGİ 400 400 224.7 170.9 137.5 102.3 82.3 66.7 58.0 51.7 46.3 46.3 40.0 2TGİ 440 440 247.2 188.0 151.2 112.5 90.5 73.3 63.8 56.8 51.0 51.0 44.0 2TGİ 480 480 269.7 205.1 164.9 122.8 96.8 80.0 69.6 62.0 55.6 55.6 48.0 2TGİ 500 500 280.9 213.7 171.8 127.9 102.9 83.3 72.5 64.6 57.9 57.9 50.0 2TGİ 625 625 351.1 267.1 214.8 159.8 128.6 104.2 90.6 80.7 72.4 72.4 62.5 2TGİ 700 700 393.3 299.1 240.5 179.0 144.0 116.7 101.4 90.4 81.1 81.1 70.0 2TGİ 775 775 435.4 331.2 266.3 198.2 159.5 129.2 112.3 100.1 89.8 89.8 77.5 2TGİ 850 850 477.5 363.2 292.1 217.4 174.9 141.7 123.2 109.8 98.5 98.5 85.0 2TGİ 1000 1000 561.8 427.4 343.6 255.8 205.8 166.7 144.9 129.2 115.9 115.9 100.0 2TGİ 1250 1250 702.2 534.2 429.6 319.7 257.2 208.3 181.2 161.5 144.8 144.8 125.0
Çizelge 2.3. Akü deşarj karakteristiği.
Model
Nominal Kapasite (Ah) C10
Deşarj Süresi (saat)
20 24 48 72 100 120 12TGİ 40 40 2.40 2.07 1.11 0.76 0.60 0.53 12TGİ 60 60 3.60 3.10 1.66 1.14 0.90 0.80 12TGİ 80 80 4.80 4.13 2.22 1.52 1.20 1.06 12TGİ 100 100 6.00 5.17 2.77 1.90 1.50 1.33 2TGİ 120 120 7.20 6.20 3.32 2.28 1.80 1.59 2TGİ 160 160 9.60 8.27 4.43 3.04 2.40 2.12 2TGİ 200 200 12.00 10.34 5.54 3.79 3.00 2.65 2TGİ 240 240 14.40 12.40 6.65 4.55 3.60 3.18 2TGİ 280 280 16.80 14.47 7.75 5.31 4.20 3.71 2TGİ 300 300 18.00 15.50 8.31 5.69 4.50 3.96 2TGİ 320 320 19.20 16.54 8.86 6.07 4.80 4.24 2TGİ 360 360 21.60 18.60 9.97 6.83 5.40 4.77 2TGİ 400 400 24.00 20.67 11.08 7.59 6.00 5.30 2TGİ 440 440 26.39 22.74 12.18 8.35 6.60 5.83 2TGİ 480 480 28.79 24.81 13.29 9.11 7.20 6.36 2TGİ 500 500 29.99 25.04 13.65 9.49 7.50 6.63 2TGİ 625 625 37.49 32.30 17.31 11.86 9.37 8.28 2TGİ 700 700 41.99 36.18 19.39 13.28 10.50 9.28 2TGİ 775 775 46.49 40.05 21.46 14.70 11.62 10.27 2TGİ 850 850 50.99 43.93 23.54 16.13 12.75 11.26 2TGİ 1000 1000 59.99 51.68 27.69 18.97 15.00 13.25 2TGİ 1250 1250 74.99 64.60 34.62 23.71 18.75 16.56
Bir akünün etiketinde örneğin 12 V 100 Ah ibaresini okuyabiliriz. Teorik olarak bu akü 100 saat bir voltaj kaybına uğramadan yani 12 V gerilimle, 1 A akım üretecektir. 10 A akıma ihtiyaç olduğunda akümüz bunu 10 saat süreyle karşılayabilecektir. Ancak pratikte
bu böyle gerçekleşmez. Özellikle yüksek akımlarda akünün iç direnci artar ve verebileceği akım azalır. İyi durumdaki bir akünün iki kutbu arasında ölçülecek voltaj 12,8 volttur. Aküden akım çekimi gerilim 11,6 volt değerine düştüğünde kesilmelidir. Bundan sonra akünün kalıcı hasar görmesi olasıdır.
2.1.2.2. Deşarj Derinliği
Akünün %100 dolu durumundan %0 tam boş durumuna kadar olan deşarj edilme oranıdır. %80 Deşarj Derinliği demek akünün Ah olarak belirtilen kapasitesinin %80’ine kadar deşarj edilmesi anlamına gelir.
2.1.2.3. Akülerin Gruplanması ve Bağlantılarının Yapılması
Akü hücreleri iki nedenle grup hâline dönüştürülür:
1) Gerilimi (voltajı) artırmak için; seri bağlantı ile mümkün olur,
Akü grubunun toplam gerilimi V, her bir akü blok geriliminin toplamına eşittir. Seri bağlantıda akü kapasitesi (Ah) değişmez; akü grubunun kapasitesi, grupta yer alan her bir blokun kapasitesine eşittir.
2) Kapasiteyi (akımı) artırmak; paralel bağlantı ile mümkün olur,
Akü grubunun toplam kapasitesi (Ah), paralel bağlı her bir akü blok kapasitesinin toplamına eşittir. Paralel bağlantıda akü gerilimi V değişmez; akü grubunun gerilimi, grupta yer alan her bir blokun gerilimine eşittir. Ayrıca tek bir arızalı aküden sistemin etkilenmemesi için paralel bağlantı yapılır.
Yenilenebilir enerji sistemlerinde çoğunlukla jel tipi aküler kullanılmaktadır.
2.1.2.4. Akülerde Verim
PV sistemlerde akü verimini bilmek PV sistem dizaynına etki eden faktörlerdendir. Dolaşım verimi enerji depolayan tüm cihazlar için söz konusu olan bir kavramdır. Akülerde dolaşım verimi (bat) akülerden alınan enerjinin, akülere depolanması için
verilen enerjiye oranı şeklinde tanımlanabilir. Dolaşım verimi ısı kayıplarından dolayı hiçbir zaman %100 olamaz. Akülerde dolaşım verimi Denklem (2.8) ile ifade edilebilir.
Akülerde dolaşım verimliliği yani akü verimliliği, deşarj voltajının (𝑉𝐷𝑒ş𝑎𝑟𝑗𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝚤) şarj voltajına (𝑉ş𝑎𝑟𝑗𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝚤) oranı olan voltaj verimliliğine (𝜂𝑉) ve kolombik (Faraday) verimliliğine (𝜂𝐶) bağlıdır [23].
𝜂𝑏𝑎𝑡 =
𝐸𝐴𝑙𝚤𝑛𝑎𝑛𝐸𝑛𝑒𝑟𝑗𝑖 𝐸𝑉𝑒𝑟𝑖𝑙𝑒𝑛𝐸𝑛𝑒𝑟𝑗𝑖
Akü deşarj verimliliği Denklem (2.9) ile ifade edilebilir.
Akü kolombik (Faraday) verimliliği Denklem (2.10) ile ifade edilebilir.
Akü verimliliği Denklem (2.11) ile ifade edilmektedir.
2.1.2.5. Akü Şarj Kontrol Ünitesi
PV modülleri gün boyunca elektrik üreterek, bunu akümülatörde depolar. Gerekli olan enerji akümülatörden alınır. Akümülatörün aşırı dolarak veya boşalarak zarar görmesini engellemek için kullanılan akümülatörün durumuna göre, güneş hücrelerinden gelen akımı veya yükün çektiği akım akü şarj kontrol üniteleri tarafından yapılır [21].
2.1.3. Eviriciler
Eviriciler PV sistemlerde PV panellerden gelen düşük voltajı, devresinde bulunan DA-DA yükseltici çeviricilerle yükselterek devre çıkışından AA almaya yarayan PV sistem bileşenidir. PV panellerden gelen düşük gerilim ve akım eviricide bulunan MPPT yazılımı ile, devresinde bulunan IGBT’nin PWM sinyali ile tetiklenmesi ile evirici devresine yükseltilerek gönderilir [24].
Şekil 2.8. DA DA Yükseltici çevirici bobin akımı.
Şekil 2.9. DA DA Yükseltici çevirici diyot akımı.
Şekil 2.10. DA DA Yükseltici çevirici bobin akımı.
𝜂𝑉 = 𝑉𝐷𝑒ş𝑎𝑟𝑗𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝚤 𝑉Ş𝑎𝑟𝑗𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝚤 (2.9) 𝜂𝐶 = 𝑄𝐷𝑒ş𝑎𝑟𝑗 𝑄Ş𝑎𝑟𝑗 (2.10) 𝜂𝑏𝑎𝑡 = 𝑉𝐷𝑒ş𝑎𝑟𝑗𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝚤 𝑉Ş𝑎𝑟𝑗𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝚤 ∙ 𝑄𝐷𝑒ş𝑎𝑟𝑗 𝑄Ş𝑎𝑟𝑗 (2.11)
Şekil 2.11. DA DA Yükseltici çevirici bobin gerilimi.
Şekil 2.12. DA DA Yükseltici dönüştürücülü evirici devresi.
Şekil 2.8’de gösterilen anahtarlama elemanı iletimde olduğu zaman, bobin doğru akım kaynağının uçlarına direk bağlanmış durumdadır. Böylece çevirici çıkış gerilimi (𝑉ç𝚤𝑘𝚤ş) PV panel gerilimine (𝑉𝑖𝑛) eşit olmaktadır. Anahtarlama elemanı kesimde ve diyot iletime geçtiğinde bobin eviriciye bağlanmış durumuna geçmektedir. Bu durumda bobinin uçlarındaki gerilim (𝑉𝐿) ise (𝑉𝑖𝑛) ile (𝑉ç𝚤𝑘𝚤ş) farkına eşit olmaktadır. Bu durumda Yükseltici dönüştürücünün sürekli iletim modundaki görev oranı (D) Denklem (2.12) ile ifade edilebilir.
Denklem (2.13)’te görüldüğü üzere DA DA Yükseltici dönüştürücülü devresi ile eviriciye gelen gerilimin (𝑉ç𝚤𝑘𝚤ş) PV panel geriliminden (𝑉𝑖𝑛) daima büyük olması sağlanacaktır. Dolayısı ile evirici çıkış gerilimi de yükseltilmiş olmaktadır.
𝐷 = 1 −𝑉𝑉𝑖𝑛 ç𝚤𝑘𝚤ş (2.12) 𝑉ç𝚤𝑘𝚤ş 𝑉𝑖𝑛 = 1 1−𝐷 (2.13)
3. TARIMSAL SULAMA
3.1. TÜRKİYE’ DE TARIMSAL SULAMA
Türkiye’nin yüzölçümü 78 milyon hektar (783.577 km2) olup, 28 milyon hektar alan tarım arazisi durumundadır. Yapılan etütlere göre ekonomik olarak sulanabilecek 8,5 milyon hektar alanın 2011 yılı sonu itibari ile toplam 5,61 milyon hektarı sulamaya açılmıştır [25].
Türkiye’nin kullanılabilir su potansiyeli 110 milyar m3 olup, bunun %16’sı içme ve kullanmada, %72’si tarımsal sulamada, %12’si de sanayide kullanıldığı Çizelge 3.1’de gösterilmiştir.
Şekil 3.1. Türkiye’nin kullanılabilir su potansiyeli.
Yukarıdaki örneklerden de anlaşıldığı üzere suyun önemi her geçen gün artmaktadır. Bilinçli tarımın artması ile birlikte su tasarrufu sağlanacaktır. Tarımsal sulama sistemleri içerisinde farklı sulama yöntemleri kullanılmaktadır. Tarımsal sulama yöntemleri içerisinde en fazla su kaybı (%35-%60 arasında), ülkemizde yaygın şekilde uygulanan yüzey sulama yöntemi ile oluşmaktadır. Yağmurlama ve damla sulama tekniklerinde ise su kaybı (%5-%25 arasında) mertebelerindedir [26].
3.2. DÜZCE İLİNDE TARIMSAL SULAMA
Düzce ilinde tarımsal sulama büyük oranda (%90-95) geleneksel şekilde uygulanmakta olup basınçlı sulama sistemlerinin kullanımı sadece %5 ila 10 civarlarındadır ve yörede sulanan tarım topraklarında basınçlı sulama sistemlerinin kullanım oranı istenilen düzeyde değildir. Geleneksel sulama tekniğinin kullanım oranının oldukça yüksek olması
nedeniyle tarımsal alanlarda su kayıplarının artacağı ve bu durumun toprak kayıplarında artışına neden olacağı söylenebilir. Düzce ilinde su kullanım miktarı Çizelge 3.1’de gösterilmiştir [27].
Çizelge 3.1. Düzce ilinde sektörlere göre su kullanımı.
2013 2017 hedefi
Tarım için 31.519.000 m3/yıl 65.000.000 m3/yıl
Sanayi için (Enerji) 39,8 Wh/yıl -
İçme Suyu 27.724.070 m3/yıl 130.050.000 m3/yıl
3.3. TARIMSAL SULAMA TEKNİKLERİ
Sulama “bitkinin ihtiyaç duyduğu suyun yağışlarla karşılanamadığı durumda, farklı sulama yöntem ve sistemlerle suyun toprağa uygulanmasına” denir. Sulama tekniği, sulama suyunun toprağa uygulama biçimidir. Sulama sistemi ise, sulama yöntemini uygulamak için gerekli olan tüm aygıtları içine alır [28].
Sulama yöntemleri 3 ana başlık altında toplanabilir. Sulama yöntemlerin Şekil 3.2’de verilmiştir.
Şekil 3.2. Tarımsal sulama yöntemleri.
3.3.1. Yüzey Sulama Yöntemleri
Yüzey sulama, mevcut su kaynağından, arazinin eğimi doğrultusunda yer çekimi etkisiyle sulama suyunun doğrudan toprağa uygulanmasıdır. Diğer sulama yöntemlerine göre yatırım ve işletme masrafları daha düşük olup, yüksek düzeyde eğitimli işçilik gerektirmez. Yüzey sulama sistemleri; salma, tava (göllendirme) ve karık sulama sistemi olarak 3’e ayrılır.
Sulama yöntemleri
Yüzey sulama yöntemleri
Basınçlı sulama yöntemleri
Yüzey altı sulama yöntemleri
• Tava sulama • Uzun tava sulama • Karık sulama
• Yağmurlama sulama • Damlama sulama
1) Tava Sulama Yöntemi
Tava sulama yönteminde sulama suyunun düz veya tesviye ile düzeltilmiş arazilerde etrafı seddelerle çevrilerek oluşturulmuş tavalara uygulanmasıdır.
2) Uzun Tava (Border) Yöntemi
Uzun tava sulama, birbirine paralel toprak seddeleri arasında suyun genel eğim doğrultusunda ve belirli derinlikte uygulandığı sulama yöntemidir. İki sedde arasındaki alan uzun tava (border) olarak adlandırılır.
3) Karık Sulama Yöntemi
Karık sulama, sulama suyunun bitki sıra araları arasında eğim doğrultusunda açılan karıklara verilerek bitkilerin sulanmasıdır. Genellikle sera bitkileri, sebzeler, meyve ağaçları, bağ, sıraya ekilen tarla bitkileri (mısır, ayçiçeği, pamuk, fasulye vb.) karık sulama yöntemi ile sulanabilir.
3.3.2. Basınçlı Sulama Yöntemleri
1) Yağmurlama Sulama Yöntemi
Yağmurlama sulama yöntemi, sulama suyunun yağmurlama başlıklarından belirli basınç altında püskürtülerek bitki ve toprak yüzeyine uygulanmasıdır. Bu yöntem sulu tarıma uygun her türlü iklim koşullarında ve tarıma elverişli her türlü toprakta ve yüzey sulama için uygun olmayan topografya koşullarında da kullanılabilir.
2) Damla Sulama Yöntemi
Damla sulama, bitkinin gereksinim duyduğu sulama suyunun bitkinin kök bölgesi yakınına kapalı borularda bulunan damlatıcı kanalıyla düşük basınçta (genellikle 1 atm) ve az miktarlarda uygulanmasıdır. Damla sulamada temel ilke, bitkide su eksikliğinden kaynaklanan bir gerilim yaratmadan ve her defasında az miktarda sulama suyunun diğer sulama yöntemlerinin aksine sık aralıklarla uygulanmasıdır. Bu nedenle damla sulamada, toprak su içeriği yüzey ve yağmurlama sulama yöntemlerine göre yetişme mevsimi boyunca nispi olarak daha yüksek olup, neredeyse tarla kapasitesi düzeyine yakındır. Şekil 3.3’te damlama sulama yöntemi gösterilmiştir [29].
Şekil 3.3. Damlama sulama yöntemi.
3) LEPA Sulama Yöntemi
LEPA (Low Energy Precission Application) sulaması, basınçlı sulama sistemlerinde enerji ve su tasarrufu sağlamak amacıyla geliştirilmiştir. Düşük enerjili hassas sulama uygulaması olarak hareketli bir sistemdir. Değişik ebatlarda imal edilen ve birbirine kulelerle bağlanan lateral borulara özel başlıklar bağlıdır. Genellikle sıra bitkileri arasına gelecek şekilde ayarlanabilir. Bu başlıklar makine veya makineye bağlı sistem hareket ederken toprak yüzeyinden yaklaşık 10-15 cm yükseklikten karıklara sulama suyunu düşey olarak verir. Böylece karıkların her tarafı ve karık uzunluğu boyunca eşit su alır. Bu sistemde diğer basınçlı sulama sistemlerinde olduğu gibi yüksek basınç gerekmez. Bu sistemler, ülkemizde diğer hareketli sulama sistemleri kadar pek kullanılmamaktadır.
3.3.3. Yüzeyaltı (Sızdırma) Sulama Yöntemi
Yüzey altı sulama yönteminde, bitkilerin kontrol altındaki bir su tablasından kapillarite (suyun küçük gözeneklerde yukarı hareketi-taşınması) ile suyu alması esasına dayanır. Buna sızdırma sulama da denilmektedir. Özel koşulların gerekmesi nedeniyle pek yaygın olarak kullanılamamaktadır [28].
4. GÜNEŞ ENJERJİSİ İLE TARIMSAL SULAMA
4.1. ŞEBEKEDEN BAĞIMSIZ PV TARIMSAL SULAMA SİSTEMİNİN BOYUTLANDIRILMASI
Şekil 4.1. PV sistemi ile çalışan pompa sistemi diyagramı.
Şekil 4.1’de belirtilen PV Sistemi ile çalışan pompa sistemi, güneş ışınımının düşük olduğu zamanlar göz önünde bulundurularak bataryalar ve AA dalgıç pompa kullanılarak tasarlanacaktır. Batarya kullanılması nedeni ile akü şarj regülatörü ve DA enerji AA enerjiye dönüştürülerek pompaya verilebilmesi için bir evirici kullanılacak ve boyutlandırılacaktır. Günde kaç saat sulama yapılacağı ve gerekli olan günlük su miktarı belirlendikten sonra pompa debisi belirlenecektir. Pompa debisi ve Toplam dinamik yükseklik belirlendikten sonra ile pompanın ihtiyaç duyacağı güç hesaplanarak şebekeden bağımsız PV enerjili akülü bir sistem tasarlanacaktır. Tasarlanacak sistemle ilgili veriler Çizelge 4.1’de belirtilmiştir [30].
Çizelge 4.1. Tasarlanacak sistem verileri.
Kullanılacak suyun öz kütlesi 𝜌 103𝑘𝑔
𝑚3
Yer çekimi ivmesi 𝑔 9,8(𝑚
𝑠2)
Sulama Süresi 𝑡 3 𝑠𝑎𝑎𝑡
Sistem debisi 𝑄 15(𝑚ℎ3)
Toplam dinamik yükseklik 𝑇𝐷𝑌 40𝑚
Pompa verimi 𝜂𝑃 0,55
Motor verimi 𝜂𝑚𝑜𝑡 0,92
PV panel Gücü 𝑃𝑃𝑉 300 𝑊𝑝
PV panel verimi (Sıcaklık, yansıma ve
uyumsuzluk kaybı göz önüne alınarak) 𝜂𝑃𝑉 0,81
Kullanılan Panel Kısa devre akımı 𝐼𝑆𝐶 8,2𝐴
Düzce ili optimum panel açısında haziran-temmuz- ağustos ayları Peak-Saat
Ortalaması 𝑃𝑆 6,46 ℎ
Kullanılan panel nominal voltajı 𝑉𝑁𝑂𝑀 24 𝑉
Kullanılan akü kapasitesi ve gerilimi 𝑄𝑎𝑘ü 150 𝐴ℎ
Akü voltajı 𝑉𝑎𝑘ü 12 𝑉
Sistem Voltajı 𝑉𝐷𝐶 24 𝑉
Akü verimi 𝜂𝐵𝑎𝑡 0,80
Akü deşarj derinliği 𝐷𝑂𝐷 0,70
Kapalı Geçen Gün Sayısı: 𝐾𝐺𝐺 3 𝑔ü𝑛
Evirici verimi 𝜂𝑖𝑛𝑣 0,90
4.1.1. Günlük Su Gereksiniminin Belirlenmesi
Tarımsal sulamanın yapılacağı arazi ve ürünün cinsine göre su ihtiyacı, sulama süresi ve sulama yöntemleri değişiklik gösterebilir. Bu nedenle çalışmanın bu aşamasında sistemin toplam su ihtiyacının günde 3 saat sulama ile 15 m3/saat debiye sahip pompa ile karşılanabileceği düşünülmektedir.
4.1.2. Toplam Dinamik Yükseklik
Suyun en alçak noktası ile ulaştığı en yüksek nokta arasındaki uzaklık statik yükseklik olarak adlandırılır. Statik yükseklik ve sürtünme kayıplarının toplamı bize toplam dinamik yüksekliği (TDY) verir ve Denklem (4.1) ile hesaplanır.
𝐻𝑔 geometrik yükseklik, 𝐻𝑑 derin kuyu ya da su kaynağında debiye bağlı meydana gelen seviye düşümü, 𝐻𝑝 sistemin çıkışında istenen basınç veya işletme basıncı, 𝐻𝑓 sistemde kullanılan düz boru ve armatürlerde meydana gelen toplam sürtünme kayıpları ve 𝐻𝑣 pompalanan suyun hız enerjisidir. Buna bağlı olarak tüm kayıplarda dahil olmak üzere sistem için öngörülen 𝑇𝐷𝑌 40𝑚 olarak düşünülmektedir.
4.1.3. Pompa Hidrolik ve Mekanik Gücü
Pompalarda mil gücü (𝑃𝑚𝑒𝑘), pompalanan suyun debisi (𝑄), 𝑇𝐷𝑌 ve pompa veriminin (𝜂𝑃) bir fonksiyonudur. Pompanın verdiği güç, su gücü ya da hidrolik gücün (𝑃ℎ) belirlenebilmesi için, pompalanan suyun debisi (𝑄) ve 𝑇𝐷𝑌 bilinmelidir.
Hidrolik güç (𝑃ℎ), kullanılan suyun öz kütlesi (𝜌), yer çekimi ivmesi (𝑔) olmak üzere Denklem (4.2) ile hesaplanır.
Herhangi bir mekanik sistemde hesaba katılması gereken, önlenemeyen kayıplar her zaman vardır. Bunun sonucunda belirlenen hidrolik gücü sağlamak için, her zaman daha fazla miktarda gücün, pompa miline aktarılması gerekmektedir. Pompa miline aktarılması gereken gücü yani mekanik gücü (𝑃𝑚𝑒𝑘), 𝑃ℎ ve 𝜂𝑝 belirler ve Denklem (4.3) ile hesaplanır.
Seçilen pompa ile ilgili olarak 𝜂𝑝%55, pompa motorunun verimi 𝜂𝑚𝑜𝑡 ise %92'dir. Gün
içerisinde yapılacak sulama süresi 3 saat olduğu, pompanın ortalama 15𝑚3
ℎ bir debiye sahip olması durumunda toplam su ihtiyacının karşılanabileceği öngörülmüştür.
15𝑚 3 ℎ = 0,00416 𝑚3 𝑠 𝑃ℎ = 0,00416 (m 3 s ) ∙ 40(𝑚) ∙ 10 3(kg m3) ∙ 9,8 ( m s2) = 1,63𝑘𝑊 𝑃𝑚𝑒𝑘(kW)= 1,63 0,55 𝑃𝑚𝑒𝑘(kW)= 2,96 𝑘𝑊
Elektriksel giriş gücü (𝑃𝑒𝑙𝑘) mekanik gücün motor verimine (𝜂𝑚𝑜𝑡) bölünmesiyle Denklem (4.4) ile hesaplanır.
𝑃𝑒𝑙𝑘 = 2,96 0,92 𝑃𝑒𝑙𝑘 = 3,21 𝑘𝑊 𝑃ℎ(𝑊) = 𝑄 ( 𝑚3 𝑠 ) ∙ 𝑇𝐷𝑌(𝑚) ∙ 𝑝 ( 𝑘𝑔 𝑚3) ∙ 𝑔 ( 𝑚 𝑠2) (4.2) 𝑃𝑚𝑒𝑘 =𝑃ℎ 𝜂𝑝 (4.3) 𝑃𝑒𝑙𝑘 = 𝑃𝑚𝑒𝑘 𝜂𝑚𝑜𝑡 (4.4)
4.1.4. Şebekeden Bağımsız PV Sistemin Tasarlanması
PV sistem çıkış verimi 𝜂𝐴𝐶 Denklem (4.5) ile hesaplanmıştır.
𝜂𝐴𝐶 = 0,90 ∙ 0,80 ∙ 0,81 𝜂𝐴𝐶 = 0,58
PV sistemden çekilecek ortalama günlük enerji 𝐸𝐿 Denklem (4.6) ile belirlenmektedir.
𝐸𝐿 = 16603 𝑊ℎ 𝑔ü𝑛
Sistemden çekilen ortalama yük akımı 𝐼𝐿 Denklem (4.7) ile hesaplanmıştır.
𝐼𝐿 = 16603 𝑊ℎ 24 ℎ ∙ 24 𝑉 𝐼𝐿 = 28,8 𝐴
PV jeneratör en az yükün ihtiyacı kadar enerji üretmelidir. PV panellerden çekilen akım Denklem (4.8) ile hesaplanmıştır.
𝐼𝑃𝑉=
24ℎ ∙ 28,8 𝐴 6,46ℎ 𝐼𝑃𝑉= 106,99 𝐴
Sistemde paralel bağlı panel sayısı (𝑁𝑃) Denklem (4.9) ile hesaplanmıştır.
𝑁𝑃 =106,99 𝐴 8,2 𝐴 𝑁𝑃 ≅ 14 𝐴𝑑𝑒𝑡
Sistemde seri bağlı panel sayısı 𝑁𝑆 Denklem (4.10) ile hesaplanmıştır.
𝜂𝐴𝐶 = 𝜂𝑖𝑛𝑣∙ 𝜂𝐵𝑎𝑡 ∙ 𝜂𝑝𝑣 (4.5) 𝐸𝐿 (𝑊ℎ) = 𝑃𝑒𝑙𝑘(𝑊) 𝜂𝐴𝐶 ∙ 𝑡(ℎ) (4.6) 𝐼𝐿 = 𝐸𝐿 24 ∙ 𝑉𝐷𝐶 (4.7) 𝐼𝑃𝑉= 24ℎ ∙ 𝐼𝐿 𝑃𝑆 (4.8) 𝑁𝑃 = 𝐼𝑃𝑉 𝐼𝑆𝐶 (4.9) 𝑁𝑆 = 𝑉𝐷𝐶 𝑉𝑁𝑂𝑀 (4.10)
𝑁𝑆 = 24 𝑉 24 𝑉 𝑁𝑆 = 1
Sistemde kullanılan toplam panel sayısı Denklem (4.11) ile hesaplanmıştır.
Sistem toplam PV gücü 4200 𝑊𝑝 olarak hesaplanmıştır.
Sistemde kullanılan akülerin toplam enerji kapasitesi (𝐸𝐵𝑎𝑡) Denklem (4.12) ile hesaplanmıştır.
𝐸𝐵𝑎𝑡 =
16603 𝑊ℎ
0,7 ∙ 3 𝑔ü𝑛 𝐸𝐵𝑎𝑡 = 71155 𝑊ℎ
Sistem toplam akü kapasitesi 𝐸𝐴ℎ Denklem (4.13) ile hesaplanır.
𝐸𝐴ℎ =71155 𝑊ℎ 24 𝑉 𝐸𝐴ℎ = 2964 𝐴ℎ
Sistemde kullanılan paralel akü sayısı 𝑁𝑝𝑎𝑘ü Denklem (4.14) ile hesaplanır.
𝑁𝑝𝑎𝑘ü=2964 𝐴ℎ 150 𝐴ℎ 𝑁𝑝𝑎𝑘ü= 19,76 𝐴ℎ 𝑁𝑝𝑎𝑘ü≅ 20 𝐴𝑑𝑒𝑡
Sistemde kullanılan seri bağlı akü sayısı Denklem (4.15) ile hesaplanmıştır.
𝑁𝑠𝑎𝑘ü= 24 𝑉 12 𝑉 𝑁𝑠𝑎𝑘ü= 2 𝐴𝑑𝑒𝑡 𝑁𝑃∙ 𝑁𝑆= 14 𝐴𝑑𝑒𝑡 (4.11) 𝐸𝐵𝑎𝑡 = 𝐸𝐿 (𝑊ℎ) 𝐷𝑂𝐷 ∙ 𝐾𝐺𝐺 (𝑔ü𝑛) (4.12) 𝐸𝐴ℎ =𝐸𝐵𝑎𝑡 𝑉𝐷𝐶 (4.13) 𝑁𝑝𝑎𝑘ü= 𝐸𝐴ℎ 𝑄𝑎𝑘ü (4.14) 𝑁𝑠𝑎𝑘ü= 𝑉𝐷𝐶 𝑉𝑎𝑘ü (4.15)
Sistemde kullanılan toplam panel sayısı Denklem (4.16) ile hesaplanmıştır
Şarj Regülatörü 24 V / 115 A’den büyük seçilmelidir. Kullanılacak Şarj Regülatörü 24V 200 A olabilir.
Pompa Gücümüz 3,21 kW olduğundan 6 kW evirici kullanılabilir.
4.2. DÜZCE İLİ ŞARTLARINDA ŞEBEKEYE BAĞLI OLMAYAN AKÜLÜ PV ENERJİLİ DAMLA SULAMA SİSTEMİNİN BOYUTLANDIRILMASI
Düzce ilinde en fazla fındık yetiştiriciliği yapılmakta ancak fındık bahçelerinin bulunduğu her noktada enerji dağıtım hattı bulunmamaktadır. Bundan dolayı her ne kadar mevcut şartlarda ürün yetiştirilse de sulamanın gerektiği zamanlarda yapılamamasından dolayı ürün verimliliği düşmektedir.
Düzce ilinde fındık bahçelerinin tamamı düz bir arazide bulunmamaktadır. Fındık bahçeleri engebeli arazilerde bulunabilmektedir. Bu tip engebeli arazide bulunan fındık bahçelerinin sulanması için gerekli enerji temini için, dağıtım hatlarının yetersizliği düşünüldüğünde güneş enerjili akıllı damla sulama yönteminin önemi daha çok ortaya çıkmaktadır.
Ordu İl Gıda Ve Hayvancılık Müdürlüğünün Perşembe İlçesinde belirlemiş olduğu 40 dönümlük bir fındık bahçesinde bakanlık tarafından sulama sistemleri teşviki ile kurulmuş damla sulama sistemi ile fındık veriminin %30-50 oranında arttığı belirtilmektedir [31].
Düzce ili son on yıl fındık üretimi ortalaması Çizelge 4.1’den faydalanılarak 68.228 ton olarak hesaplanmıştır [32].
Çizelge 4.2. Düzce ili senelik fındık üretim miktarları. DÜZCE İLİ SON ON YIL FINDIK MİKTARLARI (ton)
2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016
Ortalama Üretim
(ton) 71.699 91.272 72.399 78.902 45.098 81.278 48.295 69.503 69.344 54.493 68228 ton
Bu veriler göz önünde bulundurularak, uygulanan geleneksel sulama yöntemleri yerine güneş enerjili akıllı damla sulama sistemleri kullanılması durumunda ürün verimliliği %30 oranında arttırılabilecek ve böylece senede 20.468 ton daha fazla fındık üretimi yapılabilecektir. Ürün verimliliğindeki bu artış ile 2016 yılı fındık alım rakamları göz
önüne alındığında senede ortalama 230 milyon TL kadar ülke ekonomisine ilave katkıda bulunulabilecektir.
Çevre ve Orman Bakanlığının Konya Altınekin ilçesinde uygulamış olduğu damla sulama sistemleri kurulumu teşviki ile Düzce ilinde olduğu gibi ilçede ağırlıklı olarak geleneksel sulama yöntemi uygulanırken, damla sulama sistemlerinin kurulması ile %70 oranında su tasarrufu, sağlandığı yayınlanan raporda belirtilmiştir [33].
Bu veriler ışığında Çizelge 4.2‘de Düzce ilinde 2013 yılında tarımsal sulama için kullanılan 31 milyon 519 bin m3/yıl sudan, güneş enerjili akıllı damla sulama sistemleri uygulanması durumunda %70 oranında tasarruf edilmesi söz konusu olacak ve böylece senede 22 milyon m3 su tasarrufu yapılabilecektir.
Tarımsal Araştırmalar ve Politikalar Genel Müdürlüğü ile Devlet Su İşleri Genel Müdürlüğü’nün katkıları ile ortak yayınlanan Bitki Su Tüketimi Rehberi verilerine göre [34], Damla Sulama Yöntemi ile Fındık Bitkisinin ihtiyacı olan on günlük su miktarı Çizelge 4.1’de hesaplanmıştır. Hesaplanan su miktarı göz önünde bulundurularak PV panelleri ile akülü bir sistem tasarlanmıştır.
Çizelge 4.3. Düzce ili Akçakoca ilçesi fındık bitkisi 10 günlük sulama suyu ihtiyacı.
Bitki su tüketimi 𝐸𝑇𝑐 44,8𝑚𝑚
Düzeltilmiş bitki su tüketimi 𝑇 𝐸𝑇𝑐 ∙𝑃𝑠
85= 44,8 ∙ 44,8
85 = 36,89
Fındık için gölgelenen alan yüzdesi 𝑃𝑠 %70
Yağış 𝑃 23,3𝑚𝑚
Etkili yağış 𝑃𝑒 18,64𝑚𝑚
Yüzey damla sulama yöntemi için su
uygulama verimi 𝐸𝑎 %87,5
Basınçlı sulama sistemlerinde su
iletim verimi 𝐸𝑐 %98
Damla sulamanın uygulanması durumunda düzeltilmiş bitki su tüketim değeri Denklem (4.17) ile hesaplanmıştır [34].
𝑇 =44,8 ∙ 70 85 𝑇 = 36,89𝑚𝑚
Gölgelenen alan yüzdesi, tarla bitkileri ve sebzelerde %80, bağ ve sık dikim yapılan meyve ağaçlarında (sıra aralığı 4 m’den sık) %75, geniş dikim aralıklarına sahip meyve ağaçlarında (sıra aralığı 4 m ve daha geniş) ise %70 alınması önerilmektedir [35]. Damla sulama yönteminde net sulama suyu ihtiyacı (𝑑𝑛) ise Denklem (4.18) ile 𝑇 = 𝐸𝑇𝑐 ∙ (𝑃𝑐
belirlenmiştir.
𝑑𝑛 = 36,89 − 18,64 𝑑𝑛 = 18,25𝑚𝑚
Pe düşen yağışın %80’i etkili yağış olarak kabul edilmiştir.
10 günlük 1 ha fındık bahçesi için toplam sulama suyu ihtiyacı (dt) Denklem (4.19) ile bulunmaktadır [34]. 𝑑𝑡 = 18,25 (0,875 ∙ 0,98)∙ 10 𝑑𝑡 = 212,8 𝑚 3 ℎ𝑎
Yüzey damla sulama yöntemi için 𝐸𝑎 = %87,5olarak kabul edilmiştir [34].
Çizelge 4.4. Tasarlanacak sistem verileri.
Kullanılacak suyun özkütlesi 𝜌 103(𝑘𝑔
𝑚3)
Yer çekimi ivmesi 𝑔 9,8 (𝑚
𝑠2)
Sulama Süresi 𝑡 4 𝑠𝑎𝑎𝑡
Sistem debisi 𝑄 3,54 (𝑚
3 ℎ )
Toplam dinamik yükseklik 𝑇𝐷𝑌 8 𝑚
Pompa verimi 𝜂𝑝 0,55
Motor verimi 𝜂𝑚𝑜𝑡 0,92
PV panel Gücü 𝑃𝑝𝑣 300 𝑊𝑝
PV panel verimi (Sıcaklık, yansıma ve uyumsuzluk kaybı göz önüne
alınarak)
𝜂𝑝𝑣 0,81
Kullanılan Panel Kısa devre akımı 𝐼𝑆𝐶 8,2 𝐴
Düzce ili optimum panel açısında haziran-temmuz- ağustos ayları
Peak-Saat Ortalaması
𝑃𝑆 6,46 ℎ
Kullanılan panel nominal voltajı 𝑉𝑛𝑜𝑚 24 𝑉
Kullanılan akü kapasitesi ve
gerilimi 𝑄𝑎𝑘ü 150 𝐴ℎ
Akü voltajı 𝑉𝑎𝑘ü 12 𝑉
Sistem Voltajı 𝑉𝐷𝐶 24 𝑉
Akü verimi 𝜂𝐵𝑎𝑡 0,80
Akü deşarj derinliği 𝐷𝑂𝐷 0,70
Kapalı Geçen Gün Sayısı: 𝐾𝐺𝐺 3 𝑔ü𝑛
Evirici verimi 𝜂𝑖𝑛𝑣 0,90 𝑑𝑛 = 𝑇 − 𝑃𝑒 (4.18) 𝑑𝑡 (𝑚 3 ℎ𝑎) = 𝑑𝑛 (𝐸𝑎 ∙ 𝐸𝑐)∙ 10 (4.19)
1 ha fındık bahçesi için gerekli su miktarı günlük 21,28 m3/gün olarak hesaplanmıştır. Tasarlanacak sistemle ilgili veriler Çizelge 4.4’te belirtilmiştir. Bu veriden yola çıkarak günde 4 saat damla sulama uygulanması durumunda sistem debisi Q = 5,32 m3/h hesaplanmış, Yükseklik farkı 3 metre ve sürtünmeden kaynaklı yük kayıpları ile birlikte toplam dinamik yükseklik 8m olarak kabul edilirse;
Hidrolik güç P
h, kullanılan suyunöz kütlesi (p), yer çekimi ivmesi (g) olmak üzere
Denklem (4.20) ile hesaplanır.
𝑃ℎ = 0,00147 (𝑚 3 𝑠 ) ∙ 8 (𝑚) ∙ 10 3(𝑘𝑔 𝑚3) ∙ 9,8 ( 𝑚 𝑠2) = 0,115 𝑘𝑊
Pompa miline aktarılması gereken gücü yani mekanik gücü (𝑃𝑚𝑒𝑘), (𝑃ℎ) ve (𝜂𝑝) belirler ve Denklem (4.21) ile hesaplanır.
𝑃𝑚𝑒𝑘(𝑘𝑊) = 0,115
0,55 𝑃𝑚𝑒𝑘(𝑘𝑊) = 0,209 𝑘𝑊
Elektriksel giriş gücü (𝑃𝑒𝑙𝑘) mekanik gücün motor verimine (𝜂𝑚𝑜𝑡) bölünmesiyle Denklem (4.22) ile hesaplanır.
𝑃𝑒𝑙𝑘 = 0,209 0,92 𝑃𝑒𝑙𝑘 = 0,227 𝑘𝑊
PV sistem çıkış verimi (𝜂𝐴𝐶) Denklem (4.23) ile hesaplanmıştır.
𝜂𝐴𝐶 = 0,90 ∙ 0,80 ∙ 0,81 𝜂𝐴𝐶 = 0,58
PV sistemden çekilecek ortalama günlük enerji (𝐸𝐿) Denklem (4.24) ile belirlenmektedir. 𝑃ℎ (𝑊) = 𝑄 ( 𝑚3 𝑠 ) ∙ 𝑇𝐷𝑌 (𝑚) ∙ 𝑝 ( 𝑘𝑔 𝑚3) ∙ 𝑔 ( 𝑚 𝑠2) (4.20) 𝑃𝑚𝑒𝑘 = 𝑃ℎ 𝜂𝑝 (4.21) 𝑃𝑒𝑙𝑘 = 𝑃𝑚𝑒𝑘 𝜂𝑚𝑜𝑡 (4.22) 𝜂𝐴𝐶 = 𝜂𝑖𝑛𝑣∙ 𝜂𝐵𝑎𝑡 ∙ 𝜂𝑝𝑣 (4.23) 𝐸𝐿(𝑊ℎ) = 𝑃𝑒𝑙𝑘 (𝑊) 𝜂𝐴𝐶 ∙ 𝑡(ℎ) (4.24)
𝐸𝐿 = 1565 𝑊ℎ 𝑔ü𝑛
Sistemden çekilen ortalama yük akımı (𝐼𝐿) Denklem (4.25) ile hesaplanmaktadır.
𝐼𝐿 = 1565 𝑊ℎ 24 ℎ ∙ 24 𝑉 𝐼𝐿 = 2,71 𝐴
PV jeneratör en az yükün ihtiyacı kadar enerji üretmelidir. PV panellerden çekilen akım Denklem (4.26) ile hesaplanmıştır.
𝐼𝑃𝑉= 24ℎ ∙ 2,71 𝐴 6,46ℎ 𝐼𝑃𝑉= 10,06 𝐴
Sistemde paralel bağlı panel sayısı (𝑁𝑝) Denklem (4.27) ile hesaplanmıştır.
𝑁𝑃 =10,06 𝐴 8,2 𝐴 𝑁𝑃 ≅ 2 𝐴𝑑𝑒𝑡
Sistemde seri bağlı panel sayısı (NS) Denklem (4.28) ile hesaplanmıştır.
𝑁𝑆 = 24 𝑉 24 𝑉 𝑁𝑆 = 1
Sistemde kullanılan toplam panel sayısı Denklem (4.29) ile hesaplanmıştır.
Sistem toplam PV gücü 600 𝑊𝑝olarak hesaplanmıştır.
Sistemde kullanılan akülerin toplam enerji kapasitesi (𝐸𝐵𝑎𝑡) Denklem (4.30) ile hesaplanmıştır. 𝐼𝐿 = 𝐸𝐿 24 ∙ 𝑉𝐷𝐶 (4.25) 𝐼𝑃𝑉= 24ℎ ∙ 𝐼𝐿 𝑃𝑆 (4.26) 𝑁𝑃 = 𝐼𝑃𝑉 𝐼𝑆𝐶 (4.27) 𝑁𝑆 = 𝑉𝐷𝐶 𝑉𝑁𝑂𝑀 (4.28) 𝑁𝑃∙ 𝑁𝑆= 2 𝐴𝑑𝑒𝑡 (4.29)
𝐸𝐵𝑎𝑡 = 1565 𝑊ℎ
0,7 ∙ 3 𝑔ü𝑛 𝐸𝐵𝑎𝑡 = 6707 𝑊ℎ
Sistem toplam akü kapasitesi (EAh) Denklem (4.31) ile hesaplanır.
𝐸𝐴ℎ =
6707 𝑊ℎ 24 𝑉 𝐸𝐴ℎ = 279,45 𝐴ℎ
Sistemde kullanılan paralel akü sayısı (𝑁𝑝𝑎𝑘ü) Denklem (4.32) ile hesaplanır.
𝑁𝑝𝑎𝑘ü=279,45 𝐴ℎ 150 𝐴ℎ 𝑁𝑝𝑎𝑘ü≅ 2 𝐴𝑑𝑒𝑡
Sistemde kullanılan seri bağlı akü sayısı Denklem (4.33) ile hesaplanmıştır.
𝑁𝑠𝑎𝑘ü= 24 𝑉 12 𝑉 𝑁𝑠𝑎𝑘ü= 2 𝐴𝑑𝑒𝑡
Sistemde kullanılan toplam panel sayısı Denklem (4.34) ile hesaplanmıştır.
Şarj Regülatörü 24 V / 16,4 A’den büyük seçilmelidir. Kullanılacak Şarj Regülatörü 24V 20 A olabilir. Pompa Gücümüz 227 W olduğundan 800 W evirici kullanılabilir.
𝐸𝐵𝑎𝑡 = 𝐸𝐿(𝑊ℎ) 𝐷𝑂𝐷 ∙ 𝐾𝐺𝐺 (𝑔ü𝑛) (4.30) 𝐸𝐴ℎ =𝐸𝐵𝑎𝑡 𝑉𝐷𝐶 (4.31) 𝑁𝑝𝑎𝑘ü= 𝐸𝐴ℎ 𝑄𝑎𝑘ü (4.32) 𝑁𝑠𝑎𝑘ü= 𝑉𝐷𝐶 𝑉𝑎𝑘ü (4.33) 𝑁𝑠𝑎𝑘ü∙ 𝑁𝑝𝑎𝑘ü = 4 𝐴𝑑𝑒𝑡 (4.34)
