FOTOVOLTAøK -YAKIT PøLø BøRLEùøK SøSTEMøNøN DENEYSEL øNCELENMESø
øsmail HøLALø M.Azmi AKTACøR Bülent YEùøLATA
Harran Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, Osmanbey Kampüsü, 63000 Merkez, ùanlÕurfa, ihilali@harran.edu.tr aktacir@harran.edu.tr byesilata@harran.edu.tr
ÖZET
Günümüzde fotovoltaik (PV) sistemler hÕzla yaygÕnlaúmasÕna karúÕn, kullanÕmlarÕndaki en önemli sÕnÕrlamalardan biri üretilen elektrik enerjisinin depolanmasÕndaki zorluklardÕr. PV sistemler bu sÕnÕrlama nedeniyle, güneú enerjisi potansiyeli düúük bölgelerde sadece yaz mevsimlerinde ve güneúli saatlerde kullanÕlmaktadÕr. Küçük güçte bir elektriksel yük için ise enerji depolamada bataryalÕ PV sistemler kullanÕlmaktadÕr. Bu tür sistemlerde; genellikle güneúli saatlerde PV sistem tarafÕndan üretilen enerjinin kullanÕlmayan kÕsmÕ bir batarya grubunda depolanmakta ve güneúin bulunmadÕ÷Õ saatlerde kullanÕlmaktadÕr.
Ancak, bataryalÕ sistemlerde büyük miktarlarda enerji depolamanÕn maliyeti çok yüksek oldu÷u gibi, uzun süreli depolama mümkün de÷ildir. Fotovoltaik ve yakÕt pili birleúik sistemi (PV-FC); bu depolama sakÕncalarÕnÕ büyük ölçüde ortadan kaldÕran bir çözüm olarak günümüzde en iyi alternatiflerden biri olarak kabul edilmektedir. KÕsa ve uzun süreli enerji depolamanÕn her ikisi için de uygun sistem diziliúleri oluúturmak mümkündür. Bu çalÕúmada, Harran Üniversitesi Güneú Enerjisi AraútÕrma ve Uygulama Merkezi bünyesinde kurulumu tamamlanan PV-FC sistemi incelenmiútir. Sistem bileúenlerine ait detaylÕ bilgiler ile sistem üzerinde gerçekleútirilen bazÕ deneysel ölçümlere ait veriler, bu çalÕúma da sunulmuútur.
Anahtar Kelimeler:
Fotovoltaik Panel, Hidrojen, YakÕt Pili1. GøRøù
Türkiye tüketti÷i enerjiyi büyük oranda ithal eden ve bu anlamda dÕúa ba÷ÕmlÕ bir ülke konumundadÕr. Buna paralel olarak yÕllÕk enerji talebi de artarak devam etmektedir. Türkiye’nin enerji istatistiklerine bakÕldÕ÷Õnda bu durum açÕk olarak görülmektedir. Türkiye’nin 2005 yÕlÕnda 162 TWh olan elektrik enerjisi üretimi, 2006 yÕlÕnda %8.7 artÕúla 176 TWh’e yükselmiútir [1]. 2005 yÕlÕ verilerine göre elektrik üretiminin %75’i fosil kaynaklÕ yakÕtlardan, %24’ü hidrolik güçten geri kalan %1’lik kÕsÕm rüzgar baúta olmak üzere jeotermal ve biokütleden elde edilmiútir [2]. Bu verilere bakÕldÕ÷Õnda, Türkiye’nin fosil yakÕtlara olan ba÷ÕmlÕlÕ÷ÕnÕn azaltmasÕ ve muhtemel enerji darbo÷azÕndan kurtulmasÕ için yerli, temiz ve güvenilir enerji kaynaklarÕna yönelmesi kaçÕnÕlmaz olarak görülmektedir. 2001–2003 yÕllarÕ arasÕnda TÜBøTAK tarafÕndan oluúturulmuú Vizyon 2023 Enerji ve Do÷al Kaynaklar Paneli tarafÕndan, Türkiye Cumhuriyetinin kuruluúunun 100. yÕlÕnda, enerji teknolojileri alanÕnda öncü ülke konumuna gelmesini sa÷lamak için yapÕlmasÕ öngörülen “AraútÕrma ve Teknoloji Geliútirme” faaliyetleri içeren bir rapor hazÕrlanmÕútÕr. Bu kapsamda belirlenen öncelikli teknolojik faaliyet konularÕ arasÕnda, güneú enerjisi kullanÕlarak elektrik üretimi, hidrojen yakma teknolojilerin geliútirilmesi ve ulaúÕm araçlarÕnda, güç üretim tesislerinde ve elektronik cihazlarda kullanÕlacak yakÕt pilleri üretimi bulunmaktadÕr. [3].
Bu kapsamda oluúturulan enerji vizyonuna uygun olarak, güneú enerjisi ile hidrojen enerjisinin birlikte kullanÕldÕ÷Õ fotovoltaik-yakÕt pili birleúik sistemi
Türkiye açÕsÕndan oldukça önemli bir yer almaktadÕr.
Türkiye’nin en büyük kalkÕnma projesi olan GAP’Õn merkezinde ve Türkiye’nin en yüksek güneú enerji potansiyeline sahip ili ùanlÕurfa’da bulunan Harran Üniversitesi’nde baúlatÕlan çalÕúmalardan biri de PV- FC birleúik sistemidir. Bu çalÕúmada, Türkiye açÕsÕndan önem arz eden fotovoltaik sistemler ile hidrojen yakÕtlÕ yakÕt pillerinin ortak kullanÕldÕ÷Õ bir enerji sisteminde gerçekleútirilen deneysel çalÕúma irdelenecektir.
2. PV-FC SøSTEMø
Geliúen, sanayileúen ve her geçen gün enerji ihtiyacÕ artan dünyamÕzda, enerjiye olan artan talep gittikçe ciddi sorunlar oluúturmaya baúlamÕútÕr. Bu olumsuzluklarÕ ortadan kaldÕrmak için yeni teknolojiler kullanarak enerji tüketimini azaltan ve etkin kullanabilen sistemler oluúturulurken enerji kaynaklarÕnÕ çeúitlendirerek alternatif enerji kaynaklarÕna yönlenilmektedir. Bu sistemlerin baúÕnda verim ve maliyet açÕsÕndan çok cazip olmayan fotovoltaik sistemler gelmektedir.
Günümüzde fotovoltaik sistemler hÕzla yaygÕnlaúmasÕna karúÕn, kullanÕmlarÕndaki (yüksek maliyeti dÕúÕnda) en önemli sÕnÕrlamalardan biri üretilen elektrik enerjisinin depolanmasÕndaki zorluklardÕr. PV sistemler bu sÕnÕrlama nedeniyle, güneú enerjisi potansiyeli düúük bölgelerde sadece yaz mevsimlerinde ve güneúli saatlerde kullanÕlmaktadÕr. Küçük güçte bir elektriksel yük için ise enerji depolamada bataryalÕ PV sistemler kullanÕlmaktadÕr. Bu tür sistemlerde; genellikle güneúli saatlerde PV sistem tarafÕndan üretilen
enerjinin kullanÕlmayan kÕsmÕ bir batarya grubunda depolanmakta ve güneúin bulunmadÕ÷Õ saatlerde (ya da geceleri) kullanÕlmaktadÕr. Ancak, bataryalÕ sistemlerde büyük miktarlarda enerji depolamanÕn maliyeti çok yüksek oldu÷u gibi, uzun süreli (örne÷in mevsimlik) depolama mümkün de÷ildir. AyrÕca, klasik (örne÷in araçlarda kullanÕlan basit çevrimli) bataryalardan oluúmuú bir sistemde depolanan enerjinin sadece %20-30 kÕsmÕ çekilebilmekte ve batarya ömrü çok kÕsa (1-2 yÕl) olmaktadÕr. Özel olarak tasarlanmÕú geniúletilmiú çevrime sahip bataryalarda çalÕúma ömrü daha uzun (yaklaúÕk 5 yÕl) ve enerji çekilme oranÕ daha yüksek (yaklaúÕk %80) olmasÕna karúÕn, maliyet çok yükselmektedir [4].
Bu noktada üzerinde çok çalÕúÕlan hidrojen enerjisinin fotovoltaik sistemlerle beraber çalÕútÕrÕlmasÕ üzerinde durulmuú ve bu alanda birçok çalÕúmalar yapÕlmÕútÕr. Fotovoltaik (PV) ve yakÕt pili (FC) birleúik sistemi; bu depolama sakÕncalarÕnÕ büyük ölçüde ortadan kaldÕran bir çözüm olarak günümüzde en iyi alternatiflerden biri olarak kabul edilmektedir. KÕsa ve uzun süreli enerji depolamanÕn her ikisi için de uygun sistem diziliúleri oluúturmak mümkündür [5]. Bu konfigürasyonlara ait temel üniteler/cihazlar PV panel, elektroliz ve yakÕt pilidir.
Konfigürasyonda PV modüller tarafÕndan üretilen enerjinin elektriksel yük için gerekli miktardan fazlasÕ ile çalÕútÕrÕlan elektroliz ünitesinden elde edilen hidrojen depolanmaktadÕr. Bu tür bir sistemde,
kontrol ünitesi güneúin olmadÕ÷Õ saatlerde yakÕt pili ünitesini çalÕútÕrmaktadÕr. Böylece depodan çekilen hidrojen ile anlÕk elektrik enerjisi yakÕt pilinden elektriksel cihaza gitmektedir. Deponun yeterince büyük seçilmesi durumunda ise aynÕ sistem yaz aylarÕnda hidrojen depolayÕp, kÕú aylarÕnda elektrik enerjisi gereksinimi için kullanÕlabilmektedir [6,7].
AyrÕca PV destekli Hidrojen enerjili hibrid sistemlerin kullanÕlmasÕ, kÕrsal yerleúim yerlerinde kendi kendine enerji ihtiyacÕnÕ karúÕlayabilecek yeterlili÷e sahip olmasÕ açÕsÕndan önemli bir alternatiftir. [4]
3. DENEY DÜZENEöø VE BøLEùENLERø
Fotovoltaik -yakÕt pili birleúik sistemi, Harran Üniversitesi Güneú Enerjisi AraútÕrma ve Uygulama Merkezi laboratuarÕnda kurulmuútur.
Sistem genel olarak PV sistemi, hidrojen üreteci ve depolama ünitesi ve yakÕt hücresinden oluúmaktadÕr.
Bu sistemi oluúturan elemanlar ve akÕm úemasÕ úekil 1’de gösterilmiútir. ùekilden görülece÷i gibi, PV’de üretilen elektrik enerjisi hidrojen üretecine verilir.
Burada bulunan elektroliz ünitesinde deiyonize sudan üretilen hidrojen, metal hidrid tanklara gönderilir.
Hidrojen tanklarÕnda biriken hidrojen çalÕúma basÕncÕna ulaútÕ÷Õnda yakÕt piline gönderilerek, elektrik enerjisi elde edilmesinde kullanÕlÕr.
HIDROJEN GENERATORU
(ELEKTROLIZ UNITESi) HIDROJEN TANKLARI YAKIT PøLø
FOTOVOLTAIK PANELLER
BATARYA YÜK DAGITIM VE
KONTROL ÜNiTESi ùEBEKE
ELEKTRøöø H2 H2
EL EK
TRøK
ELEKTRøK
AC/DC ELEKTRøKSEL YÜK
gerekli enerji üzerinde bulunan 5W’lÕk bir panelden sa÷lanmaktadÕr [9]. PV panelin standart test koúullarÕndaki (AM 1.5, 25ºC ve 1000 W/m2) teknik
özellikleri ve akÕm-güç-gerilim karakteristikleri tablo 1 ve úekil 3’de verilmiútir.
ùekil 2. Güneú izleyicili 1.4 kWp (8x175 W) güce sahip PV modül sistemine ait görüntüler
Tablo 1. PV panel teknik özellikleri [8]
Maksimum Güç 175 W Boy 1575 mm
Panel verimi %13.5 Geniúlik 826 mm
Maksimum Güç VoltajÕ 35.4 V KalÕnlÕk 46 mm
Maksimum Güç AkÕmÕ 4.95 A
Panel Boyutu
A÷ÕrlÕk 17 kg
AçÕk Devre VoltajÕ (Voc) 44.4 V Hücre sayÕsÕ 72-seri KÕsa Devre AkÕmÕ (Isc) 5.4 A Hücre Monokristal Voc sÕcaklÕk katsayÕsÕ -156 Hücre úekli Dikdörtgen Isc sÕcaklÕk katsayÕsÕ 0.053 %/ºC
Hücreler
Alan 125.5 mm2
Pm sÕcaklÕk katsayÕsÕ -0.485 ÇalÕúma -40 ile 90 ºC
Elektriksel ve Optik Data
Maksimum Sistem VoltajÕ 1000V DC
SÕcaklÕk
AralÕ÷Õ Depolama -40 ile 90 ºC
ùekil 3. PV panel AkÕm-güç-gerilim karakteristikleri [8]
PV modüller vasÕtasÕyla üretilen DC elektri÷in depolanmasÕ ve gerekti÷inde AC elektri÷e dönüúümü için sistemde 8 adet bataryadan oluúan batarya bank
(12V/65Ah) ve 2 adet inverter kullanÕlmÕútÕr. Bunlara ait görüntüler úekil 4’de sunulmuútur.
ùekil 4. ønverter ve bataryalara ait görüntüler
3.2 Hidrojen Üreteci ve Hidrojen Depolama TanklarÕ
PV modüller tarafÕndan üretilen elektrik enerjisi ile çalÕútÕrÕlan hidrojen üretecinden (elektroliz ünitesi) elde edilen hidrojen, metal hidrid tanklarda depolanmaktadÕr. ùekil 5’de görülen Hidrojen üreteci
Helocentris marka PEM (Proton Exchange Membran) tipi olup 30 lt/h kapasiteye sahiptir. Helocentris marka metal hidrid Hidrojen tanklarÕ 3 adet olup her biri maksimum 900 l hacmindedir (Toplam 2700 l)[10].
(a) (b)
ùekil 5.(a) Hidrojen üreteci (b) Hidrojen tanklarÕ
3.3 YakÕt Pili ve Enerji Yönetim Ünitesi
Metal hidrid tanklarda depolanan hidrojen, yakÕt pilini çalÕútÕrmada kullanÕlmaktadÕr. ùekil 6’da görülen yakÕt pili PEM tipi olup 43 hücrelidir. Yüksüz halde her bir hücre 1 Volt, tam Yükte 0.5 Volt gerilim üretir. Sistem çalÕúÕrken bütün hücreler ile ilgili
parametreler haberleúme kartlarÕ ve yazÕlÕm sayesinde izlenir (ùekil 7). Üretilen enerjinin istenilen DC ya da AC elektrik yüklerini tahrik etmesi sistemde bulunan Enerji Yönetim Modülü tarafÕndan sa÷lanmaktadÕr.
YakÕt pili ve enerji yönetim modülüne ait özellikler Tablo 2 de verilmiútir.
ùekil 7. YakÕt Pili Kontrol ekranÕ Tablo. 2. YakÕt pili ve Enerji yönetim modülü teknik özellikleri
YakÕt pili özellikleri (Nominal koúullarda) Enerji Yönetim Modülü Özellikleri
Sürekli Güç 1200 W Nominal çÕkÕú voltajÕ 24 VDC
DC Voltaj 26 V ÇÕkÕú voltaj aralÕ÷Õ 22-30 VDC
DC voltaj aralÕ÷Õ 22-50 Vt Giriú voltaj aralÕ÷Õ 26-48
AkÕm: 46 A Maksimum AkÕm max 55 A
Hidrojen tüketimi 18,5 l/h Maksimum Güç max 1200 W
BasÕnç aralÕ÷Õ 0,7-17 bar AC ÇÕkÕú voltajÕ 230 V (50 Hz) Hidrojen saflÕk derecesi: %99.999 AC Güç Max 2000 W
3.4 Elektronik Yük Ünitesi
ùekil 8’ de görülen ünite yakÕt piline istenilen elektriksel yükleri uygulamak için kullanÕlmaktadÕr.
Bilgisayar kontrollü veya manuel olarak sisteme de÷iúik
modlarda (AkÕm veya Güç) yük uygulanabilmektedir.
Yük kapasitesi akÕm olarak maksimum 0-75 A, güç olarak 0-1500W arasÕndadÕr.
ùekil 8. Elektronik yük Ünitesi
4. DENEYSEL SONUÇLAR
Sistemde kullanÕlan güneú panelleri; güneú izleme sehpasÕ üzerine monte edildi÷inden ölçüm yapÕlan günde maksimum verim elde edildi÷i görülmüútür. Seçilen güne ait (17.07.2008) panel güç e÷risi ùekil 9’da verilmiútir. Günlük elde edilen toplam net güç 8500 W’dÕr. Panellerin üretti÷i enerjinin, elektroliz ünitesinde kullanÕlacak kÕsmÕ haricindekiler (Hidrojen tanklarÕ doldu÷u zaman) bataryalarÕn úarjÕnda
kullanÕlmÕútÕr. Elektroliz ünitesinin çekti÷i güç anlÕk olarak ölçülmüú ve 230 W olarak tespit edilmiútir.
Belirtilen güçler, sistemde oluúan elektriksel ve kimyasal kayÕplar çÕkarÕldÕktan sonra elde edilen net güçlerdir. Fotovoltaik panellerden elde edilen günlük toplam enerjisinin tamamÕ elektrolizörde kullanÕldÕ÷Õ için üretilen Hidrojen miktarÕ 1100 l olarak tespit edilmiútir.
ùekil 9. Seçilen güne ait güçün zamansal de÷iúimi De÷iúik yük tüketimi ve mevcut hidrojen ile yakÕt
pilinin ne kadar süre elektrik üretebilece÷ine dair deneysel sonuçlar ùekil 10’da gösterilmiútir. Depodaki hidrojen, 700 W’lÕk net bir elektriksel gücü t=120 dak.
süresince karúÕlayabilmektedir. Daha küçük güçteki elektriksel yükler için yakÕt pili çalÕúma süresi orantÕlÕ olarak artmaktadÕr (örne÷in Pfc=100 W için t=355 dak.)
ùekil 11’de yakÕt piline uygulanan farklÕ yüklere göre akÕm de÷erinin de÷iúimi gösterilmiútir. ùekilden görüldü÷ü gibi, çÕkÕú voltajÕ belirlendi÷inden (~27 V DC), her bir farklÕ güç de÷eri, gerçekte hidrojen tüketimine direkt etki eden farklÕ bir akÕm de÷erine karúÕlÕk gelmektedir.
ùekil 10. YakÕt pilinin depolanan hidrojen ile enerji temin etme süresinin güce göre de÷iúimi
ùekil 11. YakÕt pilinde uygulanan yüke göre akÕm de÷erinin de÷iúimi
yatÕrÕm açÕsÕndan çok pahalÕ bir sistem olmasÕna ra÷men, úehir elektrik úebekesinden uzak yerleúim yerleri için cazip özelliklere sahiptir. Örne÷in ortalama 500 W bir güç ihtiyacÕ olan stratejik bir noktada 2 saat boyunca enerji sa÷lanabilmiútir. Bu tür hibrid sistemler maliyetten ziyade kritik durumlar açÕsÕndan de÷erlendirilmelidir.
KAYNAKLAR
1. BP Statistical Review of World Energy, June 2007, http://www.bp.com.
2. TÜøK, Türkiye østatistik Kurumu, 2006 Türkiye østatistik YÕllÕ÷Õ, 2007, Ankara.
3. TUBøTAK Vizyon 2023 Teknoloji Öngörü Projesi, Enerji Ve Do÷al Kaynaklar Paneli Raporu, 2003, Ankara.
4. Yeúilata B., Demir, F., “Fotovoltaik ve yakÕt pili birleúik sisteminin analizi”, IsÕ Bilimi ve Tekni÷i Dergisi, cilt 26, sayÕ 1, sy. 37-44 (2006).
5. Busquet, S., Domain, F. Metkemeijer, R., Mayer, D., ”Stand-alone power system coupling a PV Field and a fuel cell: description of the selected system and advantages”, in Proceedings of the PV in Europe conference, Rome, Italy, 7–11 October 2002, pp. 667-660.
6. Hirschenhofer, J.H., Stauffer, D.B., Engleman, R.R., Klett, M.G. “Fuel Cell Handbook”, Second Edition, Parsons Corporation, Reading, PA, 1998.
7. Johnston, B., Mayo, M.C., Khare, A., “Hydrogen:
the energy source for the 21st century”, Technovation 25 (2005) 569–585.
8. Sharp NTR5E3E/NT175E1 175 W, www.sharp- cee.com
9. Etatrack active dÕy installation guide, 10. www.heliocentris.com
