1 TERMOELEKTRĐK JENERATÖR SĐSTEMLERĐ VE FOTOVOLTAĐK
SĐSTEMLERĐN ENERJĐ ÜRETĐMĐNDE KARŞILAŞTIRILMASI
THE COMPARISON OF THERMOELECTRIC GENERATOR SYSTEMS AND PHOTOVOLTAIC SYSTEMS IN ENERGY PRODUCTION
Raşit AHISKA*, Hayati MAMUR**, Fatih KORKMAZ**, Đsmail TOPALOĞLU**, Mehmet Ali DÖNERTAŞ***, Abdürrahim ĐÇYER** ve Uğur ŞAHĐN**
*Gazi Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Elektronik-Bilgisayar Eğitimi Bölümü, 06500, Teknikokullar, Ankara
**Çankırı Karatekin Üniversitesi, Meslek Yüksekokulu, Elektronik ve Otomasyon Bölümü, 18200, Taşmescit, Çankırı
***Çankırı Karatekin Üniversitesi, Meslek Yüksekokulu, Makine ve Metal Teknolojileri Bölümü, 18200, Taşmescit, Çankırı
ÖZET
Bu çalışmada, termoelektrik jeneratör ve fotovoltaik sistemlerin enerji üretimindeki karakteristikleri uygulamalı olarak incelenmiş ve karşılaştırılmıştır. Termoelektrik jeneratörler herhangi bir ısı kaynağından aldıkları ısıyı direkt elektrik enerjisine dönüştürürken, fotovoltaik sistemler ise yalnızca güneş ışın enerjisini elektrik enerjisine çevirirler. Her ikisinde de maksimum güç iç dirençleri ile bağlanan yükün direnç değeri eşit olduğunda elde edilir.
Termoelektrik jeneratörlerle gece-gündüz fark etmeksizin elektrik enerjisi elde edilirken, fotovoltaik sistemlerde güneşe bağımlılık söz konusudur. Deneysel elde edilen sonuçlara göre, termoelektrik sistemlerin birim yüzeyinden üretilen elektrik güç miktarı fotovoltaik sistemlerden yaklaşık 9 kat fazladır.
Anahtar Kelimeler: Termoelektrik jeneratör, fotovoltaik sistemler, yenilenebilir enerji ABSTRACT
In this study, characteristics of thermoelectric generators and photovoltaic systems in production of energy have been investigated as applied and compared. While thermoelectric generators convert heat taken from the heat source into electrical energy directly, photovoltaic systems convert only beam energy of the sun into electrical energy. In both, the maximum power is obtained when the internal and load resistance is equal. While electrical energy can be obtained from thermoelectric generators regardless of day or night, but photovoltaic systems works dependent on the sun. According to the results obtained from experiments, the amount of electric power produced from the surfaces of thermoelectric systems is about 9 times greater than photovoltaic systems.
Keywords: Thermoelectric generator, photovoltaic systems, renewable energy
2 1. GĐRĐŞ
Günümüzde elektrik enerjisi elde etmek için enerji kaynağı olarak kömür, petrol gibi fosil yakıtlar kullanılmaktadır. Kullanılan bu fosil yakıtlar sınırlıdır ve çevreye sürekli olarak sera gazı yaymaktadırlar. Yayılan sera gazı ve küresel ısınmanın artması çevreye duyarlı olan insanları bu yakıtların kullanımında tedirgin etmekte ve yeni ve yenilenebilir enerji kaynaklarının araştırılması ve kullanılması çabalarını arttırmaktadır. Dünya nüfusunun sürekli olarak artması ve bununla birlikte de enerji ihtiyacının artmasına neden olmaktadır. Gelecekte, insanlığın kullanılan enerji kaynaklarının sebep olduğu tehditleri en aza indirebilmesi ve enerji arzını karşılayabilmesi için güneş, rüzgâr, biokütle, jeotermal ve hidrojen gibi yenilenebilir enerji kaynaklarını azami ölçüde kullanması gerekmektedir [1]. Yenilenebilir enerji kaynaklarından olan güneş enerjisi sonsuz, temiz, yenilenebilir ve fotovoltaik (PV) paneller sayesinde doğrudan elektrik enerjisine dönüştürülebilmesi gibi avantajlarından dolayı özellikle elektrik şebekesinden uzak yerleşim alanlarında yaygın kullanım alanı bulmuştur. PV sistemlerden elde edilen elektrik enerjisinin kW başına maliyeti su, kömür ve petrol gibi kaynaklara göre yüksektir. Bu birim maliyeti genelde PV paneller ve kullanılan batarya gurubu oluşturmaktadır. Son zamanlarda birim maliyeti azaltmak ve güneş enerjisinden azami derecede faydalanabilmek için batarya gurubunun kullanımı azalmış direkt şebekeyle bağlantılı PV sistemler geliştirilmiştir.
Günümüzde PV sistemler yaklaşık %20 verimle çalıştırılmaktadır. Yeni geliştirilen optik yoğunlaştırıcılar sayesinde bu verim değeri yaklaşık %30’lara kadar çıkarılmıştır [2]. Enerji verimliliğini arttıran, çevre dostu diğer yenilenebilir enerji kaynaklarından biri de jeotermal enerjidir. Jeotermal enerjinin elektrik enerjisine çevrilmesinde değişik yöntemler kullanılmıştır.
Bunlardan biri de termoelektrik modüllerin (TEM) termoelektrik jeneratör (TEJ) olarak kullanılmasıdır. TEJ’ler jeotermal kaynakların sıcaklık farkına bağlı olarak bu enerjiyi direkt elektrik enerjisine çevirirler [3]. Fabrika sıcak su atıkları, araba egzoz sistemleri, yanan bir sobanın sıcaklığı gibi herhangi bir sıcak atık kaynağının sıcaklığını ve çevre sıcaklığını kullanarak oluşturulan sıcaklık farkından elektrik enerjisi üretirler. Bu sayede enerji verimliliğini arttırmakta ve enerji üretimine katkıda bulunmaktadır. TEJ’lerin hareketli parçaları yoktur, yapıları basittir, bakım gerektirmezler, uzun ömürlüdürler, sıcaklık kontrolüne olanak sağlarlar, elektrik enerjisini doğrudan çevirirler, sessiz, güvenilir ve kararlı çalışırlar. Bu avantajlarının yanı sıra en büyük dezavantajı da verimlerinin yaklaşık %5–10 düzeyinde olmasıdır. TEJ’lerin atık enerjiyi elektrik enerjisine çevirdiği dikkate alınırsa bu verimlilik değeri de ihmal edilebilir [4]. TEJ’ler elektrik enerjisi üretiminde birim kWh başına PV panellere nazaran daha avantajlıdırlar. Ayrıca kapladıkları alan düşünüldüğünde bu avantajları daha da artmaktadır [5].
2. PV VE TEJ SĐSTEMLERĐNĐN TEMEL YAPILARI 2.1. PV’ler ve karakteristikleri
Bugün çok yaygın PV teknolojileri tekli kristal ve çoklu kristal silikon modüllerden oluşan yarıiletken cihazlardır. PV hücreler n- ve p-tip iki yarıiletken malzemeden oluşur. Işınım etkisiyle fotonlar PV hücresine çarparak elektronların hareketini sağlar ve yük üzerinden geçmesine neden olur. Işınım şiddeti yükseldikçe PV hücrenin çalışma verimi artar. PV hücreler akım kaynağı gibi çalışırlar [6]. Bir PV hücre Şekil 1a’daki gibi modellenebilir. PV hücresinin modeli akım kaynağı, diyot, paralel direnç Rp ve seri dirençten Rs meydana gelir. PV hücresi açık devre olduğunda akım diyot üzerinden, kısa devre edildiğinde ise harici yük üzerinden devresini tamamlar. Paralel direncin değeri çok büyük olmasına rağmen seri direncin değeri çok düşüktür.
Bağlanan yükün direnciyle PV hücrenin iç direnci eşit olduğunda maksimum güç (MPP) elde edilir. PV hücrelerden maksimum gücü yakalamak için, solar invertörlerin maksimum güç noktası izleyici (MPPT) kontrol döngüleri kullanılır. Şekil 1b’de gösterildiği gibi, bir PV hücresi
3 PV panelin büyüklüğüne veya ona bağlanan yükün tipine ve güneş ışığının yoğunluğuna bağlı olarak farklı davranışlar gösterir. PV hücresinin karakteristiği, faklı yükler bağlandığında gerilim ve akım değişimi olarak açıklanır. PV hücresi güneş ışığında uçları açıkken uçlarında maksimum gerilim VOC ölçülür. Bu gerilim açık devre gerilimidir. PV hücresinin iki ucu kısa devre edildiğinde maksimum akım ISC geçer ve bu durumda gerilim sıfırdır. Geçen akım kısa devre akımı olarak isimlendirilir. Sıcaklık ve ışık yoğunluğu PV hücrelerin çıkış karakteristiklerini etkiler. Akım ışık yoğunluğuyla doğru orantılıdır. Gerilim de yayılan ışık seviyesiyle değişir fakat bu değişim çok azdır. MPP PV sistemden alıcılara en yüksek gücün iletildiği noktadır.
PV’ler geniş gerilim ve akım aralıklarında çalışırlar. Bu nedenle çıkış gücü sürekli değişir [7].
Şekil 1. (a) PV hücrelerin elektriksel modeli, (b) aydınlanmaya karşı V-I (36 hücre dizisi).
2.2. TEJ’ler ve karakteristikleri
Tipik bir TEJ’in temel yapısını termoelement (TE) oluşturur. Termoelement (TE) p- ve n-tip yarıiletkenlerin bir uçlarının birleştirilmesinden meydana gelir. Elektriksel olarak seri termal olarak da paralel bağlanırlar. TEJ’ler Seebeck etki ile çalışırlar. Seebeck etki Thomas Seebeck tarafından 1821’de bulunmuştur. TEJ’in elektriksel devre modeli Şekil 2a’da verilmiştir. TEJ’in elektriksel devre modeli bataryanın elektriksel devre modeline benzer. Elektrik akımındaki artış iç direncinde harcanan gücün artmasına neden olur. TEM’in iki yüzeyi arasında bir sıcaklık farkı meydana getirilir ve TEM uçlarına bir yük bağlanırsa, yük üzerinden elektrik akımı geçişi olur ve bir elektrik gücü elde edilir [1].
Şekil 2. (a) TEJ elektriksel devre modeli, (b) TEJ V-I grafiği.
TEJ’den elde edilen açık devre gerilimi, yüzeyleri arasındaki sıcaklık farkıyla (∆T=TH-TC) doğrusal olarak değişir. Bir TEJ’den alınabilecek maksimum güç, bağlanan yükün direnci ile TEJ’in iç direncinin eşitlendiği zamandır. TEJ çıkış karakteristiği Şekil 2b’de verilmiştir. TEJ’in yüzeyleri arasındaki sıcaklık farkı sabit bir değerde tutulup uçlarına bağlanan yükün değeri değiştirildiğinde elde edilen güç değişir. Maksimum akım yük değerinin sıfır olduğundadır.
4 Maksimum gerilim değeri de yük değerinin sonsuz olduğunda elde edilir. Maksimum güç ise uçlarına bağlanan yükün direnci ile TEJ’in iç direncinin değerinin eşitlendiği anda elde edilir.
Eğer TEJ yüzeyleri arasındaki sıcaklık farkı arttırılırsa buna bağlı olarak elde edilen gücün değeri de doğrusal olarak artar [1].
3. DENEYSEL KURULUM 3.1 Deneysel PV kurulumu
Deneysel PV kurulumu Şekil 3’deki gibi gerçekleştirilmiştir. Deneyde solar panel olarak 72 PV hücreden oluşan LCS Solar Strom AG tip ve 1880x808x40 mm boyutlarında PV panel kullanılmıştır. PV panelin maksimum gücü etiket değerinde 200 W’tır. PV panelin farklı iki zamanda değerleri alınmıştır. PV panelin karakteristiklerini elde etmek için ayarlı direnç kullanılmıştır.
Şekil 3. PV sistem kurulumu.
3.2 Deneysel TEJ kurulumu
Deneysel TEJ kurulumu Şekil 4’de verilmiştir. Bu TEJ sistemi portatif olarak tasarlanmıştır.
Đstenildiğinde herhangi bir jeotermal kaynakta kullanılabilecektir. TEJ sistemi üç kısımdan meydana gelmektedir: (1) TEJ, (2) DC-DC konvertör ve (3) invertör.
Şekil 4. Deneysel portatif TEJ kurulumu.
TEJ sistemi için TES Ltd. şirketinden sağlanan 20 tane 5x5x0,4 cm boyutlarında TEJ kullanılmıştır. Bunlar düz bir yüzeye TEJ yüzeyi ve montajlanan yüzey arasına termal geçirgenliği arttırmak için silikon jel sürülerek montajlanmıştır. Çıkış gerilimini arttırmak için TEJ’lerin tamamı birbirine seri olarak bağlanmıştır. TEJ’lerden elde edilen elektrik enerjisi yüzeyleri arasındaki sıcaklık farkına bağlı olduğu için yüzeylerindeki sıcaklığı ölçmek için iki
5 tane T tipi nokta uçlu termokupl kullanılmıştır. Ayrıca TEJ’den elde edilen DC akım ve gerilimin ölçülmesi için de programlanabilir lojik kontrollü (PLC) bir veri edinim sistemi kurulmuştur. TEJ soğuk ve sıcak yüzeyinin sıcaklıklarının sağlanması için sıcak su ve soğuk şebeke suyu kullanılmıştır. Suların debisi yüzeyler arasındaki sıcaklık farkını arttırmak için önemli olduğundan dolayı, bunların debi miktarlarının ölçümü için de Mikronet firmasından sağlanan iki tane ARF–4 türbinli debimetre kullanılmıştır. Bu debimetrelerin ölçülendirilmesi PLC yardımıyla yapılmış ve bir operatör panellinden gözlemlenmiştir.
4. DENEYSEL SONUÇLARIN DEĞERLENDĐRĐLMESĐ
PV sistem deneylerinde Çizelge 1’de elde edilen veriler elde edilmiştir. Deneyler 8°C ve 14°C iki farklı çevre sıcaklık değerleri için gerçekleştirilmiştir. Maksimum güç değeri yük direnci 10 Ω, geçen akım değeri 3,727 A ve gerilim 36,8 V iken yaklaşık 137 W olmuştur. Birim alana düşen elektrik enerjisi üretim miktarı 91,3 W/m2 olmuştur.
Çizelge 1. PV panelden değişik yükte ve sıcaklıklarda alınan veriler.
Ryük(Ω) I(A) 8°C V(V) 8°C P(W) 8°C I(A) 14°C V(V) 14°C P(W) 14°C
sonsuz 0 41,5 0 0 41,5 0
0 5,43 0 0 5 0 0
100 0,406 40,9 16,6054 0,436 42,1 18,3556
90 0,456 40,7 18,5592 0,468 41,9 19,6092
80 0,509 40,7 20,7163 0,52 41,9 21,788
70 0,57 40,6 23,142 0,6 41,7 25,02
60 0,682 40,6 27,6892 0,682 41,6 28,3712
50 0,801 40,5 32,4405 0,825 41,5 34,2375
40 0,977 40,1 39,1777 1,02 41,4 42,228
30 1,298 39,72 51,55656 1,355 41,1 55,6905
20 1,934 38,88 75,19392 1,969 40,3 79,3507
15 2,699 37,7 101,7523 2,721 39,2 106,6632
10 3,632 36,33 131,95056 3,727 36,8 137,1536
5 5,4 25,14 135,756 4,39 20,83 91,4437
Çizelge 2. ∆T=66°C (yaklaşık) değerinde TEJ verileri.
∆T Sıcak yüzey ºC
Soğuk
yüzey ºC TEG I (A) TEG V (V) TEG P (W) Ryük (Ω) Sıcak su debi lt/dk
Soğuk su debi lt/dk
66,8 82,5 15,7 0 51,5 0 sonsuz 3,7 12,8
66,8 81,8 15 3,102 0 0 0 3,7 12,8
67,4 82,2 14,8 1,187 32,602 38,699 25 3,7 12,8
66,6 81,5 14,9 1,38 29,924 41,295 20 3,7 12,8
66,4 81,4 15 1,598 26,452 42,270 15 3,7 12,8
66 81,1 15,1 1,768 23,861 42,186 10 3,7 12,8
65,4 80,8 15,4 2,354 14,414 33,931 5 3,7 12,8
65,2 80,7 15,5 2,615 10,131 26,493 3 3,7 12,8
65 80,6 15,6 2,766 7,662 21,193 2 3,7 12,8
64,6 80,4 15,8 2,956 4,473 13,222 1 3,7 12,8
65,1 80,8 15,7 3,065 2,932 8,987 0,5 3,7 12,8
6 TEJ deneyleri ortam sıcaklığı yaklaşık 20°C’de yapılmıştır. TEJ’in iç direnci 11,25 Ω ölçülmüştür. Sıcak su için laboratuvar ortamları için kurulan bir sıcak-soğuk su sirkülatör sisteminden sağlanmıştır. Soğuk su için de şebeke suyu kullanılmıştır. Deneyden alınan değerler Çizelge 2’de verilmiştir. I=1,598 A, V=26,452 V iken maksimum güç Pmax=42,27 W olmuştur.
Sıcaklık farkı arttıkça TEJ’den alınan elektrik gücünde artış olmuştur. Sistemin jeotermal kaynağı olarak sıcak ve soğuk su kullanıldığı için sıcak taraf sıcaklığında suyun sıcaklığı 93°C’ye kadar çıkartılabilmiştir. Bu sıcak su TEJ’e verildiğinde soğuk su ile etkileşime girmiş ve sıcaklık değeri maksimum 66,8°C’ye çıkarılabilmiştir. Bu durumda sıcak suyun debisi yaklaşık 3,8 lt/dk soğuk suyun debisi de 12,8 lt/dk’dır. Debilerde az bir düşüş sıcaklık farkındaki azalmayı netice vermekte ve elde edilen güçte azalma olmaktadır. Jeotermal alanlarda sıcak suyun debisi daha fazla olacağı için daha yüksek sıcaklık farklarına çıkılabilecek ve elde edilecek elektrik gücünde artış olacaktır. Maksimum güç değeri TEJ iç direnci ile harici yükün direncinin eşitlendiğinde elde edilmiştir. Birim alana düşen elektrik enerjisi üretim miktarı 840 W/m2 olmuştur.
5. SONUÇ
TEJ’ler ve PV sistemlerin enerji üretimindeki karakteristik davranışları incelenmiştir. TEJ’ler jeotermal gibi kaynakla elektrik enerjisi üretirken, PV sistemler güneş enerjisi ile üretirler. Bu nedenle PV sistemler güneşe bağımlıdır ve yalnızca güneşli günlerde verimli olarak kullanılırlar.
TEJ’lerde ise jeotermal kaynak gibi bir kaynak var olduğu sürece elektrik enerjisi üretimi söz konusudur. Kurulan TEJ sisteminde birim alan başına elde edilen elektrik enerjisi miktarı 840 W/m2 iken, PV sistemde 91,3 W/m2 olmuştur. TEJ sisteminde birim alan başına düşen elektrik enerjisi miktarı, PV sistemden 9,2 kat daha fazla olduğu görülmüştür. Her iki enerji kaynağı da çevre dostu ve yenilenebilirdir.
TEŞEKKÜR
Bu çalışma, “07/2011–71 Bilgisayar kontrollü termoelektrik jeneratörün üretimi için elektronik donanımın ve test sisteminin geliştirilmesi ve uygulaması” nolu-isimli olarak Gazi Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi tarafından desteklenmektedir.
KAYNAKÇA
[1] Ahıska, R., Mamur, H. ve Uliş, M., “Modeling and experimental study of thermoelectric module as generator”, J Fac. Eng. Archit. Gaz. 26 (4), 889–896 (2011).
[2] Sefa, Đ. ve Özdemir Ş., “Experimental study of interleaved MPPT converter for PV system”, 35th Annual Conference of IEEE on Industrial Electronics, 3-5 Kasım 2009, Porto.
[3] Ahıska, R., Dişlitaş, S. ve Ömer, G., “A new method and computer-controlled system for measuring the time constant of real thermoelectric modules”, Energ. Convers. Manage. 53 (1), 314–321 (2012).
[4] Ahıska, R. ve Dişlitaş, S., “Microcontroller based thermoelectric generator application”, J.
Fac. Eng. Archit. Gaz. 19 (2), 135–141 (2006).
[5] Kajikawa, T., “Present status of research and development on thermoelectric power generation technology in Japan”, J. Thermoelectricity 45 (1), 18-29 (2009).
[6] Houssamo, I., Locment, F. ve Sechilariu, M., “Maximum power tracking for photovoltaic power system: Development and experimental comparison of two algorithms”, Renew.
Energ. 35 (10), 2381-2387 (2010).
[7] Chowdhury, S.R. ve Saha, H., “Maximum power point tracking of partially shaded solar photovoltaic arrays”, Sol. Energ. Mat. Sol. C. 94 (9), 1441-1447 (2010).
