Untitled - Gazi Üniversitesi Açık Arşiv

advertisement
GÜNEŞ ENERJİSİNİN TARIMSAL UYGULAMALARDA KULLANILMASI
Hamid PARHIZKAR
YÜKSEK LİSANS TEZİ
ELEKTRİK ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI
GAZİ ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
EKİM 2015
Hamid
PARHIZKAR
tarafından
hazırlanan
“GÜNEŞ
ENERJİSİNİN
TARIMSAL
UYGULAMALARDA KULLANILMASI” adlı tez çalışması aşağıdaki jüri tarafından OY
BİRLİĞİ ile Gazi Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalında YÜKSEK
LİSANS TEZİ olarak kabul edilmiştir.
Danışman: Prof. Dr. İres İSKENDER
Elektrik Elektronik Mühendisliği,Gazi Üniversitesi
Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Yüksek Lisans Tezi olduğunu onaylıyorum
...…………………
Başkan : Doç. Dr. Timur AYDEMİR
Elektrik Elektronik Mühendisliği,Gazi Üniversitesi
Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Yüksek Lisans Tezi olduğunu onaylıyorum.
…………………...
Üye : Doç. Dr. Murat Hüsnü SAZLI
Elektrik Elektronik Mühendisliği,Ankara Üniversitesi.
Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Yüksek Lisans Tezi olduğunu onaylıyorum.
Tez Savunma Tarihi:
…………………...
15/10/2015
Jüri tarafından kabul edilen bu tezin Yüksek Lisans Tezi olması için gerekli şartları yerine getirdiğini
onaylıyorum.
…………………….…….
Prof. Dr. Şeref SAĞIROĞLU
Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü
ETİK BEYAN
Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Tez Yazım Kurallarına uygun olarak hazırladığım
bu tez çalışmasında;

Tez içinde sunduğum verileri, bilgileri ve dokümanları akademik ve etik kurallar
çerçevesinde elde ettiğimi,

Tüm bilgi, belge, değerlendirme ve sonuçları bilimsel etik ve ahlak kurallarına uygun
olarak sunduğumu,

Tez çalışmasında yararlandığım eserlerin tümüne uygun atıfta bulunarak kaynak
gösterdiğimi,

Kullanılan verilerde herhangi bir değişiklik yapmadığımı,

Bu tezde sunduğum çalışmanın özgün olduğunu bildirir, aksi bir durumda aleyhime
doğabilecek tüm hak kayıplarını kabullendiğimi beyan ederim.
Hamid PARHIZKAR
15/10/2015
iv
GÜNEŞ ENERJİSİNİN TARIMSAL UYGULAMALARDA KULLANILMASI
(Yüksek Lisans Tezi)
Hamid PARHIZKAR
GAZİ ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
Ekim 2015
ÖZET
Günümüzde, elektrik şebekesine uzak olan bölgeler nehirlerden ve/ya kuyulardan su
pompalama yöntemiyle sulandırılmaktadır. Alternatif enerji kaynakları ya fosil ya da
yenilenebilir enerjiden elde edilen güneş ve rüzgâr enerji kaynaklarıdır. Fosil kaynaklara
olan talebin sürekli artması bu enerji kaynağının fiyatını da artırmaktadır. Çok yüksek
derecede ulaşılabilir olması, güneş enerjisinin rüzgar enerjisi gibi sulama işlemleri için çok
faydalıdır. Güneş enerjisinden faydalanılarak oluşturulan tipik bir su pompalama sisteminin
bileşenleri; güneş paneli, elektrik motoru ve pompa olarak ifade edebiliriz. Bu parçalara ek
olarak kullanıcı ihtiyacına göre akü, motor, dönüştürücü, vb. gibi aksesuarlar da eklenebilir.
Bu tezde kullanılan cihazlar; güneş paneli, dönüştürücü, evirici, üç fazlı asenkron motor,
santrifüj pompası ve tarla su dağıtım pompasından oluşmaktadır. Sulaması beklenen alanın
su ihtiyacına dayanarak motor ve su pompasının anma güç değerleri elde edilmektedir.
Tespiti yapılan pompaya uygun motor, evirici ve dönüştürücü tasarlanarak gerekli olan
güneş panelleri seçilmektedir.
Bilim Kodu
:
Anahtar Kelimeler :
905.1.033
Fotovoltaik, Tarımsal sulama, Simülasyon
Sayfa Adedi
Danışman
80
Prof. Dr. İres İSKENDER
:
:
v
THE USE OF SOLAR ENERGY IN AGRICULTURAL APPLICATIONS
(M. Sc. Thesis)
Hamid PARHİZKAR
GAZİ UNIVERSITY
GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES
October 2015
ABSTRACT
Nowadays, the regions far from electric network are irrigated from the rivers and/or wells
through water pumps. The alternative energy sources could be fossil, solar and/or wind
energy. Increasing need for fossil energy causes increase in its price continuously. Because
of high accessibility, solar energy similar to wind energy is suitable for watering. A typical
solar energy system is composed of solar panel, electric motor and a pump. In addition to
these, another components like accumulator, electric motor, converters and water pump can
be used in solar systems considering the requirements of the users. The equipments used in
this thesis are: solar panels, converters, three- phase asynchronous electric motor, a
centrifugal pump and a water distribution system. The power ratings of motor and pomp are
derived depending on the water required to irrigate the specific area. With respect to the
power of the pump and electric motor, coupling and finally the solar panels are designed.
Science Code :
Key Words
:
905.1.033
Photovoltaic, Agricultural irrigation, Simulation
Page Number :
Supervisor
:
80
Prof. Dr. İres İSKENDER
vi
TEŞEKKÜR
Çalışmalarım boyunca değerli yardım ve katkılarıyla beni yönlendiren, kıymetli
tecrübelerinden faydalandığım danışmanım Prof. Dr. İres İSKENDER ve manevi
destekleriyle beni hiçbir zaman yalnız bırakmayan çok değerli aileme teşekkürü bir borç
bilirim.
vii
İÇİNDEKİLER
Sayfa
ÖZET ..............................................................................................................................
iv
ABSTRACT ....................................................................................................................
v
TEŞEKKÜR ....................................................................................................................
vi
İÇİNDEKİLER ..............................................................................................................
vii
ÇİZELGELERİN LİSTESİ.............................................................................................
vii
ŞEKİLLERİN LİSTESİ ..................................................................................................
ix
RESİMLERİN LİSTESİ .................................................................................................
x
HARİTALARIN LİSTESİ .................................................................................................
xi
SİMGELER VE KISALTMALAR.................................................................................
xii
1. GİRİŞ......................................................................................................
1
2. BOOST(YÜKSELTEN) DA-DA DÖNÜŞTÜRÜCÜ ve EVİRİCİ…..
5
2.1. Boost (yükselten) DA-DA Dönüştürücü............................................................
5
2.1.1. Yükselten dönüştürücünün yapısı............................................................
5
2.1.2. Yükselten dönüştürücünün çalışma prensibi……………………...….....
5
2.2. Evirici...................................................................................................................
11
2.2.1 Üç fazlı everici çalışma prensibi……………………………………..…….......
11
3. ASENKRON, DC VE AC SÜREKLİ MIKNATISLI MOTORLAR...
17
3.1. Çalışma Prensibi…………………………………………………….…………
17
3.1.1. Senkron hız……………………………………………………….…......
19
3.1.2. Silip………………………………………………………………...…....
19
3.2. DC ve AC Sürekli Mıknatıslı Motorlar…………………………………..........
20
3.2.1. Kalıcı mıknatıs malzemelerin karakteristikleri………………….............
21
4. SANTRİFUJ POMPA…………………………………………...……
23
4.1. Santrifüj Pompanın Çalışma Prensibi..………,,……………………………...
23
4.2. Santrifüj Pompa Tipleri……………….………………………………….......
24
viii
Sayfa
4.2.1. Dikey santrifüjlü pompalar…………………………………………......
24
4.2.2. Köpük pompalar………………………………………………………...
25
4.2.3. Çok kademeli santrifüjlü pompalar…………………………………......
25
4.3. Enerji Kullanımı…………………………………………………………….....
25
5. FOTOVOLTAİK MODÜLÜ…………………………………….…....
27
5.1. Solar Enerji……………………………………………………………………
27
5.2. Fotovoltaike Giriş………………..………………...………………………….
27
5.3. Işığın Temel Özellikleri……….………………………………………..……..
28
5.3.1. Güneş ışığının özellikleri……………………………………………….
28
5.3.2. Foton enerjisi…………………………………………………………….
29
5.3.3. Foton akışı……….………………………………………...………….....
29
5.3.4. Spektral radyasyonu………………………………………………….......
30
5.3.5. Radyan güç yoğunluğu………………………..……………..…..............
31
5.4. Güneş Pilinin Yapısı………...……………………………………......................
32
5.4.1. P-N bağlantısının uluşumu………………………………………………
32
5.4.2. Güneş hücresinin yapısı……………………...………………...…...........
34
5.4.3. Işık uluşturulan akım…...…………………………………………….......
34
5.4.4. Fotovoltaik etkisi………………………………………………….........
35
5.4.5. I-V Eğrisi………………………………………………………….....…
36
5.4.6. Kısa devre akımı………………...………………………………..….....
37
5.4.7. Aydınlatılmış akım ve kısa devre akımı (IL veya ISC?)……………...
37
5.4.8. Açık devre gerilimi…………………………………………………......
39
5.4.9. Doldurma faktörü………………………………………………............
41
5.4.10. Verim…………………………………………….………………….....
43
5.4.11. Parazitik dirençler etkisi…………………………………………..........
43
ix
Sayfa
5.4.12. Modül yapısı………...…………………………........……………….
44
6. HESAPLAMALAR, SİMULASYON VE SONUÇLAR......................
47
6.1. Toplam Sulama Suyu Miktarı............................................................................
48
6.2. Sulama Aralığı....................................................................................................
48
6.3. Sistem Kapasitesi................................................................................................
49
6.4. Sulama Modülü...................................................................................................
49
6.5. Sulama Zamanı Planlaması.................................................................................
49
6.6. Proje Ne Olduğu ve Verilen Veriler....................................................................
50
6.7. İstenilen Değerler ve Hesaplamalar....................................................................
51
6.8. Pv Modülün Seçimi.............................................................................................
53
6.9. DC-DC Boost Dönüştürücü Tasarımı.................................................................
55
6.10. Maksimum Güç Noktası İzleyici.......................................................................
56
6.11. Evirici Tasarımı................................................................................................... 58
6.12. Motor..................................................................................................................
61
6.13. Pompa Seçimi ve Hesaplamaları........................................................................
61
6.14. Su Deposu Tasarımı...........................................................................................
62
6.15. Simülasyon ve Grafikler...................................................................................
67
7. SONUÇ...................................................................................................
73
KAYNAKLAR...............................................................................................................
75
EKLER............................................................................................................................
77
EK-1. SunPower SPR-305-WHT’nin katalogu................................................................
78
ÖZGEÇMİŞ......................................................................................................................
80
x
ÇİZELGELERİN LİSTESİ
Çizelge
Sayfa
Çizelge 1.1. Pv güçlü, dizel motorlu ve yel değirmeni karşılaştırması ...........................
3
Çizelge 2.1. Üç fazlı gerilim kaynaklı evirici için anahtar durumları.............................
7
xi
ŞEKİLLERİN LİSTESİ
Şekil
Sayfa
Şekil 2.1. Boost dönüştürücünün devre şeması...............................................................
5
Şekil 2.2. Anahtarın durumuna bağlı boost dönüştürücünün iki yapılandırması………..
6
Şekil 2.3. Sürekli modunda çalışan dönüştürücünün akım ve gerilim şekilleri………….
7
Şekil 2.4. Kesintili modunda çalışan dönüştürücünün akım ve gerilim dalga şekilleri....
9
Şekil 2.5. Üç fazlı evirici...................................................................................................
12
Şekil 2.6. 180 derece iletim için dalga formları………………………….......................
13
Şekil 2.7. 180 derce iletim de mod 1 çalışma modu ve formülleri gösterilmektedir..…
13
Şekil 2.8. 180 derce iletim de mod 2 çalışma modu ve formulleri gösterilmektedir…..
14
Şekil 2.9. 180 derce iletim de mod 3 çalışma modu ve formülleri gösterilmektedir…..
14
Şekil 2.10. 180 derece iletim için faz gerilimleri………………………………………
15
Şekil 2.11. 120 derece iletim için gate sinyalleri.............................................................
16
Şekil 3.2. Üç fazlı güç kaynağı indüksiyon motor’a dönen bir manyetik alan sağlar…..
18
Şekil 3.3. 'g' olarak gösterilir kayma bir fonksiyonu olarak tipik bir tork eğrisi,………. 20
Şekil 3.4. Farklı sürekli mıknatıslı motor yapıları………………………………………. 21
Şekil 3.5. Sert bir mıknatıs malzemeye ait B-H eğrisi………………..…………………. 21
Şekil 3.6. Zıt mıknatıslanma eğrisi………………….………………………………….
22
Şekil 4.1. Bir santrifüj pompa………………………………………………………......
23
Şekil 4.2. Santrifüjlü pompanın kesit görünümü………………………………….……
24
Şekil 5.1. Elektromanyetik spektrum……………………………………………….......
28
Şekil 5.2. Bir kaynaktan gelen genel güç hesaplaması……………………………......
31
Şekil 5.3. p-n bağlantısı arasında E alanın uluşması………………………………......
32
Şekil 5.4. Güneş hücresinin yapısı…………………………………………………….
33
xii
Şekil
Sayfa
Şekil 5.5. Kısa devrede İdeal akış……………………………………………………...
34
Şekil 5.6. p-n birleşiminde ışığın akım-gerilim karakterisitiğne etkisi………………...
35
Şekil 5.7. p-n birleşiminde ışığın akım-gerilim karakterisitiğne etkisi………………...
36
Şekil 5.8. Kısa devre akımını gösteren bir güneş hücresinin IV eğrisi…………………
37
Şekil 5.9. Kısa devre akımın ve bant genişliği eğrisi………………………..………..
38
Şekil 5.10. Açık-devre voltajını gösteren bir güneş hücresinin IV eğrisi…….………
39
Şekil 5.11. Bant aralığının bir fonksiyonu olarak diyot doygunluk akımı…………….
40
Şekil 5.12. Voc AM 0 ve AM 1,5 olan hücre için bant aralığının bir fonksiyonudur….
41
Şekil 5.13. Voltajın fonksiyonu olarak ölçülen………………………………….……
42
Şekil 5.14. Bir güneş pili hücresinde seri ve paralel parazitik dirençler……………..
43
Şekil 5.15. Bir dökme silikon modülü………………………………………………..
44
Şekil 6.1. Uzun yıllar içinde Ankara da gerçekleşen günlük güneşlenme süresi..........
45
Şekil 6.2. Uzun yıllar içinde Ankara da gerçekleşen yıllık yağış miktarı.....................
45
Şekil 6.3. Bitki su tüketimini etkileyen faktörlerin akış şeması.....................................
48
Şekil 6.4. Seçilmiş olan güneş ışını sinyali.....................................................................
50
Şekil 6.5. Bir güneş panelinin kombinasyonu.................................................................
51
Şekil 6.6. Seri bağlanan Güneş panellerinin olması gereken Akım-Gerilim grafı.........
51
Şekil 6.7. Paralel bağlanan güneş panellerinin olması gereken Akım-Gerilim grafı.....
52
Şekil 6.8. Kullanılan güneş panelinin bir hücresinin simülasyonu................................
52
Şekil 6.9. Kullandığımız 3 seri ve 8 dizi (toplam 24)panelin akım-gerilim ve ğüç…...
53
Şekil 6.10. Kullandığım sunpower SPR 305 wht panelin akım-gerilim ,güç gerilim...
53
Şekil 6.11. Artışlı iletkenlik +bütünleşmiş regülatörünle maksimum güç noktası……..
55
Şekil 6.12. Artışlı iletkenlik regülatörünle maksimum güç noktası izleyici ………….
56
Şekil 6.13. Kullanılan 3 kollu evirici dahili şeması.........................................................
57
xiii
Şekil
Sayfa
Şekil 6.14. Kullanılan 3 kollu evirici matlab ‘da parametre ayarlama penceresi............
58
Şekil 6.15. Kullanılan 3 fazlı evirici çıkış sinyalleri......................................................
58
Şekil 6.16. Kullanılan motorun Matlab’da parametre ayar pencereleri.........................
59
Şekil 6.17. Kullanılan pompanın Matlab’da parametre ayar penceresi.........................
60
Şekil 6.18. Su tankı simulasyonu...................................................................................
61
Şekil 6.19. Su tankının bulanık kontrolün de kullanılan kontrollerin benzetimi..........
61
Şekil 6.20. Su tankının Matlab’da parametre ayar pencereleri....................................
62
Şekil 6.21. Su tankının bulanık mantıklı kontrollerin tasarım penceresi.....................
62
Şekil 6.22. Tankının bulanık kontrollerin seviye üyelik fonksiyonu penceresi……...
63
Şekil 6.23. Tankının bulanık kontrollerin akış üyelik fonksiyonu penceresi………...
63
Şekil 6.24. Tankının bulanık kontrollerin vana üyelik fonksiyonu penceresi…………
64
Şekil 6.25. Su tankının bulanık mantıklı kontrollerin Rule belirleme penceresi..........
65
Şekil 6.26. Su tankının çıkış sinyali..............................................................................
65
Şekil 6.27. Tasarlanan PV sistemin genel simolasyonu................................................
66
Şekil 6.28. Boost dönüştürücünün simülasyonun esnasında duty cycle değişimi........
66
Şekil 6.29. Güneş panellerinden boost çevirici ’ye gelen gerilim................................
67
Şekil 6.30. Güneş panelleri tarafından devreye teslim edilen güç...............................
67
Şekil 6.31. Asenkron motorun tamın ettiği mekanik güç............................................
68
Şekil 6.32. Asenkron motorun rotor hızı.......................................................................
68
Şekil 6.33. Asenkron motorun elektromekanik torku...................................................
69
Şekil 6.34. Asenkron motorun stator akımı....................................................................
71
Şekil 6.35. Santrifüj pompanın ürettiği su debisi............................................................
71
Şekil 6.36. Santrifüj pompanın ürettiği ettiği su basıncı.................................................
71
xiv
RESİMLERİN LİSTESİ
Resim
Sayfa
Resim 1.1. Pv sisteminde kullanılan parçalar ...................................................................
10
Resim 3.1. Üç fazlı asenkron motor şeması……………………………………………
34
xv
SİMGELER VE KISALTMALAR
Bu çalışmada kullanılmış simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda
sunulmuştur.
Simgeler
Açıklamalar
m3
Metreküp
db
Desibel
Hz
Hertz
m²
Metrekare
e
Elektron
eV
Elektro volt
KWh
Kilovatsaat
P
Güç
Si
Silisyum
V
Volt
A
Amper
W
Watt
Ω
Ohm
°C
Santigrat derece
ISC
Kısa devre akımı
Voc
Açık devre gerilimi
Iph
Fotovoltaik akım
I ph,n
STC‟deki fotovoltaik akım
Io
Karanlık doyma akımı
Io,ref
STC‟deki güneş pili veya parça doyma akımı
Rs,n
STC‟deki seri direnç
xvi
Simgeler
Açıklama
RSH
Paralel direnç
RSH
STC‟deki paralel direnç
ISH
Kaçak akım
Id
Diyot akımı
MPP
Maksimum güç Noktası
Impp
Maksimum güç noktasındaki Akımı
Vmpp
Maksimum güç noktasındaki Voltajı
Pmax
Maksimum güç noktasındaki güç
Q
Elektron yükü
T
Cismin mutlak sıcaklığıdır
STC
Standart test koşulu
1
1. GİRİŞ
Su kaynakları insanların temizlik, gıda üretimi, enerji, ekosistemin restorasyonu, sosyal ve
ekonomik gelişme ve sürdürülebilir kalkınma ihtiyaçlarını karşılama için gereklidir.
Birleşmiş Milletler Dünya Su Kalkınma Raporu'na göre su sıkıntısından etkilenen 40’dan
fazla ülkede 2 milyar insan var ve 1,1 milyar insan için ise yeterli içme suyu kaynağı yok.
Bu nedenle içme suyu sağlanması ve çevre dostu teknolojilerin kullanılmasına acil ihtiyaç
var. Bu ihtiyacı karşılamada önemli bir bileşen olan uzaktan su pompalama sistemleridir. Bu
sistemler içme suyu üretmek için arıtma ve tuzdan arındırma tesislerinin ilk aşamasında
kullanılmalıdır. Bu tezde basit ama etkili olan fotovoltaik su pompalama sistemi tanıtılmıştır.
Bu teorik tezde, Fotovoltaik çalışmaları (PV) ve modelleme teknikleri açıklanmaktadır.Bu
çalışmanın sonunda bu sistemin MATLAB simülasyonları sunulmaktadır [1].
Çizelge 1.1. PV güçlü, dizel motorlu ve yel değirmeni karşılaştırması
Sistem tipi
Avantajları
Dezavantajları
Çalışan PV sistemi
*Düşük bakım
*Gözetimsiz Çalışma
*Güvenilir uzun ömürlü
* yakıta ihtiyaç yok ve dumansız
* kurması Kolay
* Sistem modüler olduğu
*Nispeten yüksek maliyeti
*Bulutlu havalarda düşük çıkış
Dizel (gaz) Çalışan Sistem
*Orta sermaye maliyetleri
*Yüklemesi kolay
*Taşınabilir olabilir
* Kullanılmasına geniş tecrübe lazım
* Bakım ve yedek İhtiyaçları
*sürekli kontrol etmek gerekiyor.
*Gürültü, duman, kir sorunları
*Yakıt Genellikle pahalı
Yel değirmeni
*yakıta ihtiyacı yok ve dumansızdır
* Potansiyel olarak uzun ömürlü
*Rüzgârlı sitelerinde iyi çalışır
*Yüksek bakım ihtiyaçlı
*Mevsimsel dezavantajları
*parçalarını zor bulmak
*Kurulum araçlara ihtiyaç duyar
2
Su Pompa Sistemleri ve Fotovoltaik Enerji
Bir su pompalama sistemi çalışmak için güç kaynağına ihtiyaç duyar. Genel elektrik şebekesi
AC olduğundan, AC pompa sistemleri ekonomik, bakımsız veya az bakımlı ve şebeke
bulunan alanlarda kurulum ve kullanım kolaylığı sağlamaktadır. Ancak kırsal alanlarda, su
kaynakları güç hatlarına çok uzak olabilmektedir. Yeni iletim hattı çekilmesi ve trafo montajı
çok pahalı olabilmektedir. Günümüzde birçok yerel su pompalama sistemleri içten yanmalı
motorları kullanmaktadır. Bu sistemler kurulumu kolay ve taşınabilir yapıya sahiptir. Ancak
bazı önemli dezavantajlara sahiptirler. Örneğin; yakıt ikmali ve bakım için sık sık saha
ziyaretleri gerektirir, yakıtı genellikle pahalı ve bakımı için kalifiye elemana ihtiyaç duyar.
Aynı zamanda periyodik olarak değişmesi gereken yedek parçalara ihtiyaç duyarlar. Fosil
yakıtların tüketimi özellikle çevresel etki dolayısı ile atmosfere karbondioksit (CO2)
bırakıyor. Yenilenebilir enerji teknolojileri ile CO2 emisyonu büyük ölçüde azaltılabilir ve
birçok konuda yenilenebilir enerji fosil yakıtlarla rekabetçi olabilir. Örnek olarak büyük çaplı
şebeke bağlantılı rüzgâr türbinleri, güneş enerjili su ısıtma ve şebekeden bağımsız tek başına
PV sistemleri, dolayısıyla su pompalama sistemi için yenilenebilir enerji kullanımı, çok
çekici bir önermedir. Yel değirmenleri yenilenebilir enerji kullanımında köklü bir
yöntemdir. Ancak büyük ölçekli rüzgâr türbinleri başarısına rağmen şebeke bağımlılıkları
nedeniyle sahneden aşamalı olarak çekilmektedir. PV sistemleri son derece güvenilir
olmaları ve özellikle 10KW dan az güç gerektiren uygulamalar için düşük kurulum maliyeti
sunması sebebiyle sıklıkla tercih edilmektedir. Örneğin şebeke elektriğinin mevcut olmadığı
yerlerde ve içten yanmalı motorların yüksek maliyetle işletileceği yerlerde. Çizelge 1.1
çeşitli yerel tip su pompalama sisteminin karşılaştırılmalarını gösterir. Fotovoltaik (PV)
sistemler sadece güneş ışığı mevcutken elektrik üretimi yaparlar. Bu nedenle yerel
uygulamalarda yedek enerji gereksinimi vardır. Enerji depolama sistemleri, PV sistemlerini
gece ya kötü hava koşullarında kullanabilir hale getirir. Çeşitli depolama teknolojileri
arasında Kurşun-Asit aküleri, nispeten ucuz ve geniş temin olanakları nedeniyle PV
sistemlerinde tercih edilir. Ek enerji depolama sistemlerinde akü, ortam şartlarına bağlı
olarak panellerden gelen değişken akım ile şarj olabilir ve aynı zamanda yük için ihtiyaç
duyulan sabit akımı sağlayabilir yapıdadır. Aküler iyi bir depolama olanağı sağlasa da birçok
dezavantaja sahiptirler. Kurşun-Asit ve Derin-Döngülü (solar akü) aküler PV sistemleri için
tercih edilen türde akülerdir. Bu tip aküler, otomobil akülerinde farklı yapıdadır ve
maliyetleri yüksektir. PV sistemlerinde Akü ömrü ortalama 3 ila 8 yıl olmasına rağmen
yüksek ortam sıcaklığının iç korozyon hızını artırması nedeniyle bu süre sıcak iklimlerde 2
3
yıldan 6 yıla kadar düşebilir. Bu nedenle akülerin düzenli olarak bakım ihtiyacı bulunur.
Elektrolit seviyesi düşük akülerin şarj edilmeye devam edilmesi akü ömrünü çok hızlı bir
şekilde düşürür. Şarj ve deşarj sırasında güç kaybı nedeniyle genel iklimlerde bu değer % 75
‘in altına inebilir. Tüm bu nedenlerden dolayı su pompalama konusunda PV sistem
tasarımcıları mümkün mertebede akü kullanımından kaçınırlar. Enerjinin depolanması
amacıyla uygun boyutta su depoları kullanımı ihtiyacı karşılayabilir. Depo kullanımı, akü
donanımlı sistemlere kıyasla daha düşük maliyetlere sahiptir. Nitekim PV su pompalama
sistemlerinin sadece %5 ‘lik bir diliminde akü kullanılmaktadır.
Öngörülen Sistem
Bu tez çalışmasında savunulan su pompalama sistemi, yedek aküsüz ve bağımsız tiptedir.
Resim 1.1 de gösterildiği gibi sistem güneş paneli (a), çevirici (b), evirici (c) ve AC asenkron
motorlu su pompasından (d) oluşmaktadır. Sistem gayet küçük ve alt sistemi de dahil olmak
üzere işlevleri doğrulamak için simülasyonu yapılacaktır.
(a) PV modülü
(b) Dönüştürücü
(c) İnvörtör
(d) Pompa
Resim 1.1. PV sisteminde kullanılan parçalar (a) PV modülü (b) Dönüştürücü (c) İnvertör
(c) Pompa
PV modülleri
Piyasada farklı boyutlarda (60W ‘dan - 170W ‘a tipik boyutlarda) hazır PV modülleri temin
edilebilir. Genellikle PV hücreleri, çeşitli ve farklı enerji taleplerini karşılayabilmek için
(seri/paralel) dizi olarak birleştirilir ve PV modülü elde edilir. Örneğin; tipik bir küçük
ölçekli deniz suyu arıtma tesisi 4~5 kW ’a ihtiyaç duyar.
4
Maksimum Güç Noktası İzleyici
Maksimum güç noktası izleyici (MPPT); sisteme bağlı PV modüllerinin enerji üretimindeki
Voltaj-Akım eğrilerinin en verimli noktasının tespiti için kullanılan sistemdir. Bu sistem
güneş takip sistemleri (günebakan sistemi) ile karıştırılmamalıdır. MPPT sistemlerinde,
güneş takip sisteminde olduğu gibi PV modüllerini hareket ettiren bir motorize mekanik
sistem bulunmamaktadır. MPPT sistemi elektronik olarak, çalışma koşulları değişen PV
modül veya diziden gelen güç çıkışını en üst düzeye çıkararak sistem verimliliğini yüksek
tutar. MPPT sistemi, anahtar mod DC-DC dönüştürücü ve kontrolöründen oluşur. Şebekeye
bağlı sistemler için anahtar-mod evirici ünitesi, MPPT görevini üstlenir. Aksi takdirde
evirici ünitesi, MPPT fonksiyonunu gerçekleştiren bir DC-DC dönüştürücüsü ile
birleştirilmiş olmalıdır. Zaman zaman MPPT sistemine ek olarak birde güneş izleyici
kullanılması gerekli olabilir. Kaynak (2) ‘de olduğu gibi tek eksenli güneş takip sistemi yaz
aylarında mevsimsel olarak optimize edilmiş bir sabit eksen toplayıcıya göre yaklaşık % 40
daha fazla enerji toplayabilir. Kışın ise ancak sadece %20’lik bir verim artışı görülebilir.
Atmosferdeki nem oranının artması, güneş ışınımını yaygın bir hale soktuğu için güneş takip
sisteminin verimi düşer. İki eksenli güneş takip sistemi, tek eksenliye göre verimi yüzde
cinsinden sadece birkaç puan arttırır. Güneş takip sistemleri, daha az PV modülü ile enerji
talebini karşılayabilmesine rağmen daha çok maliyet, karmaşıklık ve bakım ihtiyacı getirir.
Bu sistemlerde hareketli parçalar kullanıldığı için arıza ihtimali de artmaktadır. Bu nedenle
tez çalışmamda güneş takip sistemi uygulanmamış ve incelenmemiştir.
MPPT Denetleyicisi
Genel olarak MPPT kontrolü için analog denetleyiciler kullanılır. Bununla birlikte, dijital
denetleyicilerin kullanımı da hızla artmaktadır. Çünkü dijital denetleyiciler analoglara göre
bir takım avantajlar sunmaktadır. Öncelikle dijital denetleyicilerin programlanabilme
yeteneğine sahip olması algoritma geliştirmeyi kolaylaştırıyor. Örneğin; x = y × z denklemini
kodlamak, bu denklemi analog devre ile tasarlamaktan çok daha kolaydır. Aynı nedenle
tasarım değişikliği dijital denetleyiciler ile çok daha kolaydır. Sonuç olarak dijital
denetleyiciler uzun vade de istikrar sağladıkları için bu tezde de MPPT sistemi için dijital
bir kontrol yöntemi seçilmiştir.
5
2. YÜKSELTEN DC-DC DÖNÜŞTÜRÜCÜ VE İNVERTÖR
2.1. YükseltenDC-DC Dönüştürücü
Yükselten dönüştürücü, giriş voltajının çıkış voltajından daha yüksek olduğu bir DC-DC güç
dönüştürücüsüdür. Yükselten DC-DC dönüştürücüler anahtarlamalı güç kaynağı (SMPS)
sınıfındandır. En az iki yarı iletken anahtar (diyot ve transistor) ve en az bir enerji depolama
elemanı (kondansatör, bobin, ya da ikisi birlikte) içeren anahtarlamalı güç kaynağına
sahiptirler. Dönüştürücü çıkışına, kondansatör (bazen bobin ile birlikte) ile yapılan filtre
devreleri gerilim dalgalanmalarını azaltmak için eklenir. Yükselten dönüştürücünün enerjisi
akü, PV modülleri, doğrultucular veya DC jeneratör gibi herhangi uygun bir DC kaynaktan
uygulanabilir.
2.1.1. Yükselten dönüştürücünün yapısı
Yükselten dönüştürücü bu tezde PV modülden gelen gerilimi yükseltme amacıyla
kullanılmaktadır. Yükseltme oranı anahtarlama elemanına uygulanacak doluluk oranı yani
doluluk oranına bağlıdır. Şekil 2.1
yükselten dönüştürücünün devre şemasını
göstermektedir.
Şekil 2.1. Yükselten dönüştürcünün devre şeması
Boost dönüştürücüsündeki anahtar prensip, akım değişikliklerine karşı indüktör eğilimidir.
Bir boost dönüştürücünde çıkış gerilimi her zaman giriş geriliminden daha yüksektir.
6
2.1.2. Yükselten dönüştürücünün çalışma prensibi
Anahtar kapalı konumda iken akım saat yönünde indüktör üzerinden geçer ve indüktör
manyetik alan oluşturarak enerji depolar. İndüktörün sol tarafının polaritesi pozitiftir.
Anahtar açıldığında ise empedans artarak akım azalacaktır. Daha önceden oluşturulan
manyetik alan yük akımı nedeniyle bozulacak ve bu sırada indüktörün polaritesi
değişecektir(indüktörün sol tarafı negatif olacaktır). Böylece iki kaynak seri şekilde
bağlanmış olacak ve yüksek voltaj D diyotu üzerinden kapasitörü şarj edecektir. Eğer
anahtar yeterince hızlı kapatılıp açılır ise, indüktör şarj/deşarj döngüleri arasında tam olarak
deşarj olamayacak ve yük her zaman giriş voltajından daha büyük bir voltaj görecektir. Aynı
zamanda anahtar açıkken yüke paralel olan kapasitör şarj olacak ve anahtar kapandığında
devrenin sağ yarısında enerji olmadığı için yükü besleyecektir. D diyotu bu sırada
kapasitörün anahtar üzerinden deşarj olmasını engelleyecektir. Anahtarın kapasitör fazla
deşarj olmadan tekrar açılması gerekmektedir. Yükselten dönüştürücünün temel prensibi 2
durumdur (Şekil 2.2).On-durumunda, anahtar S kapalıdır, İndüktör akımı artar.Offdurumunda, anahtar S açıktır ve artan indüktör akım diyot D üzerinden kondansatör C ve
yük R den geçer. On-durumu sırasında biriken enerji kapasitör ve yüke transfer edilir.Şekil
2.2'de görülebileceği gibi giriş akımı indüktörün akımıyla aynıdır.
Şekil 2.2. Anahtarın durumuna bağlı yükselten dönüştürücünün iki yapılıandırması
7
Sürekli mod
Bir yükselen dönüştürücü sürekli modunda çalışırken, indüktör üzerinden geçen akım (IL)
hiçbir zaman sıfıra düşmez. Şekil 2.3 bu modunda çalışan dönüştürücünün tipik akım ve
gerilim dalga formlarını gösterir.
Şekil 2.3. Sürekli modunda çalışan donüştürücününn akım ve gerilim dalga şekilleri
İdeal bir dönüştürücünün (ideal davranış gösteren devre elemanları kullanılarak) istikrarlı
çıkış gerilimi hesapları aşağıdaki gibidir; On durumu sırasında, S anahtarı kapalıyken, giriş
geriliminin (Vİ) indüktör üzerinden geçmesine sebep oluyor. Bu da aşağıdaki formüle göre
indüktör akımının (IL) zamana (T) bağlı olarak değişmesine neden olur.
(2.1)
Bu nedenle ON-durumu sonunda, IL artışı aşağıdaki gibidir.
(2.2)
D doluluk oranıdır. Anahtarın T süresi kadar kapalı olmasını temsil eder. Bu nedenle D
değeri 0 (S kapalı değil) ve 1 (S açık değil) arasında değişmektedir.
8
Off-durumu sırasında S anahtarı açıktır, böylece indüktör akımı yük üzerinden akar, eğer
diyotta gerilim düşümünü sıfır ve voltajın sabit kalması için de kapasitörü yeterince büyük
farz edersek IL evrimi aşaıdaki gibidir.
(2.3)
Dolayısıyla kapalı-süre boyunca IL türevidir.
(2.4)
Çeviricinin kararlı durum koşullarında çalıştığını varsayıyoruz, bu nedenle devre elemanları
üzerindeki biriktirilen enerji her komütasyon döngüsünün başında ve sonunda aynı
olmalıdır. Pratikte indüktör üzerinde depolanan enerji aşağıdaki gibi verilmiştir.
(2.5)
Bu nedenle indüktör akımı, komütasyon döngüsünün başında ve sonunda aynı olmak
zorundadır. Bu durum akımda değişim miktarının (değişimlerin toplamı) sıfır olduğu
anlamına gelir.
(2.6)
Yerine
ve
kendi ifadeleri ile konursa aşağıdaki gibi olur.
(2.7)
Bu şekilde yazılabilir.
(2.8)
9
Sırasıyla doluluk oranı aşağıdaki gibi gösterilmektedir.
(2.9)
Yukarıda ifadelerin de gösterdiği gibi çıkış gerilimi her zaman giriş geriliminden daha
yüksektir (doluluk oranının 0'dan 1'e gittiği gibi) ve teorik olarak D’nin 1’e yaklaşması
sonsuza kadar artış gösterir. Bu nedenle boost dönüştürücü zaman zaman step-up
dönüştürücü olarak da adlandırılır [4].
Kesintili mod
Eğer akımın genliği çok yüksek ise, bir komütasyon döngüsü tamamlanmadan önce indüktör
tamamen boşalabilir. Bu durum genellikle hafif yükler altında oluşur. Bu durumda, indüktör
üzerinden geçen akım periyodun bir kısmında sıfıra düşer (Şekil 2.4).
Şekil 2.4. Kesintili modunda çalışan dönüştürücünün akım ve gerilim dalga şekilleri
Bu fark her ne kadar hafif olsa da, çıkış gerilimi denklemi üzerinde güçlü bir etkiye sahiptir.
Bu, aşağıdaki gibi hesaplanabilir.Döngüsünün başlangıcında indüktör akımı sıfır olduğu
gibi, maksimum değeri
(t=DT de) olduğu zaman aşağıdaki gibi oluyor.
(2.11)
10
Off-peryot sırasında IL ,
sonrasında sıfıra düşer
(2.11)
Önceki iki denklem kullanılarak, δ aşağıdaki denklemle eşittir.
(2.12)
Yük akımı Io ortalama diyot akımı (ID) 'ye eşittir. Şekil 4.4 görüldüğü gibi, diyotun akımı
Off-durumu sırasında indüktörün akımına eşittir. Bu nedenle, çıkış akımı aşağıdaki gibi
yazılabilir.
(2.13)
ILmax ve δ ‘nin değiştirilmesi kendi ifadeleri ile:
(2.14)
Bu nedenle, çıkış gerilimi artışı şu şekilde yazılabilir.
(2.15)
Sürekli mod çıkış gerilimi ifadesi ile karşılaştırıldığında, bu ifade çok daha karmaşıktır.
Ayrıca, kesintili modunda çıkış gerilimi kazancı sadece doluluk oranına bağlı değil, aynı
zamanda indüktör değeri, giriş voltajı, anahtarlama frekansı ve çıkış akımına bağlıdır [2,3].
11
2.2. Evirici
DC yi AC ye dönüştüren dönüştürücüler evirici olarak tanınır. Bir eviricinin görevi bir DC
girişi, tasarlanmış büyüklük ve frekansa ve simetrik AC çıkışa çevirmektir. Çıkış gerilimi
sabit ya değişken frekansta sabit ve değişken olabilir. Bir değişken çıkış gerilimi, dc giriş
gerilimi değişmekle ve evirici kazancını sabit tutmakla elde edilebilir. Diğer yandan ,dc
gerilim sabitse ve kontrol edilemezse, çıkış gerilimini evirici kazancında yapılan
değişiklikerle değişebiliriz, ki normalde bu pals genişliği modülasyonu ile (PWM)
gerçekliştirilir.Evirci kazancı AC çıkışın dc girişinin oranı ile tanımlanabilir. İdeal evirici
çıkışı sinüs şeklinde olmalıdır. Ancak Pratik eviricilerin dalga formları sinüs değildir ve bazı
harmonikler içerir. Yüksek hızlı güç yarı iletken cihazların kullanılabilirliği ile çıkış
geriliminin harmoni içeriğini minimize edilebilir ya da anahtarlama teknikleri ile önemli
ölçüde azaltılabilir. Eviriciler geniş ölçüde endüstriyel uygulamalarda kullanılır [4].
Eviriciler genel olarak iki tipte sınıflandırılabilir:1-Tek faz eviriciler ve 2-Üç faz eviriciler.
Her bir tipi açıp kapatan cihazlarla ( BJT, MOSFET, İGBT… gibi) uygulamalara bağlı
olarak Zorlamalı komütasyonlu tristörler le denetlenebilir. Bu eviriciler genellikle bir çıkış
gerilimi ürütmek için PWM kontrol sinyali kullanıyorlar. Bir eviricinin eğer giriş gerilimi
sabit kalırsa gerilim beslemeli (VFİ) ve eğer giriş akımı sabit kalırsa akım beslemeli (CFİ)
ve eğer giriş gerilimi denetlenebilir olursa değişken dc bağlantılı evirici denir.
2.2.1. Üç fazlı eviricinin çalışma prensibi
Üç fazlı eviriciler genellikle yüksek güçlü uygulamalarda kullanılıyorlar. Bir üç fazlı
eviricinin çıkışı 6 diyot ve 6 transistör yapılandırmasıyla elde edilebilir (Şekil 2.5).İki tip
sinyal transistöre uygulanabilir,180 derece iletim ve 120 derece iletim.
180 derece iletim
Her transistor 180 derece iletiyor. Üç transistor her anda iletmektedir.Q1 açık olduğunda a
terminali dc giriş geriliminin pozitif tarafına bağlanıyor.Q4 açık olduğunda a terminal a dc
kaynağının negatif tarafına bağlanıyor. 6 çalışma modu var ve her modun çalışma süresi 60
derecedir. Transistorlar gate sırasına göre sıralanmışlar. Gate sinyalleri Şekil 3.2 de
gösterilmiş ki her birisi kendisinden öncesine göre üç fazlı gerilimleri dengelemek için 60
derece kaydırılmış.
12
Şekil 2.5. Üç fazlı invertör
Çizilge 2.1. Üç fazlı gerilim kaynaklı evirici için anahtar durumları
Durum
Durum No.
Vab
Vbc
Vca
S1,S2 ve S6 açık ve S5,S4,S 3 kapalı
1
Vs
0
- Vs
S2,S3 ve S1 açık ve S5,S6,S4 kapalı
2
0
Vs
- Vs
S3,S4 ve S2 açık ve S6,S1,S 5 kapalı
3
-Vs
Vs
0
S4,S5 ve S3 açık ve S1,S2,S 6 kapalı
4
-Vs
0
Vs
S5,S6 ve S4 açık ve S2,S3,S1 kapalı
5
0
- Vs
Vs
S6,S1 ve S5 açık ve S3,S4,S2 kapalı
6
Vs
- Vs
0
S1,S3 ve S5 açık ve S4,S6,S 2 kapalı
7
0
0
0
S4,S6 ve S2 açık ve S1,S3,S 5kapalı
8
0
0
0
13
Şekil 2.6. 180 derece iletim için dalga formları
Yük yıldız veya delta şeklinde bağlanabilir. Yıldız bağlantısı için hat-nötr arası gerilim
belirlemesi için hattın akımının bulunması gerekiyor. Üç çalışma modu yarım-peryot da var
ve eşdeğer devreler Şekil 2.6’da verilmiştir.
0  t 

3
(2.16)
R 3R

2
2
V
2V
i1  s  s
Req 3R
Req  R 
i1 R Vs

2
3
2Vs
vbn  i1 R 
3
van  vcn 
Q1, Q5, Q6 iletimde
Şekil 2.7. 180 derece iletim de mod 1 çalışma modu ve formülleri
(2.17)
(2.18)
(2.19)
(2.20)
14

2
 t 
3
3
(2.21)
R 3R

2 2
V
2V
i2  s  s
Req 3R
Req  R 
2Vs
3
i R V
vbn  vcn  2  s
2
3
van  i2 R 
Q1, Q2, Q6 iletimde
(2.22)
(2.23)
(2.24)
(2.25
Şekil 2.8. 180 derece iletim de mod 2 çalışma modu ve formülleri
2
 t  
3
R 3R

2
2
V
2V
i3  s  s
Req 3R
Req  R 
i3
2
2Vs
vcn  i3 R 
3
van  vbn 
Şekil 2.9. 180 derece iletim de mod 3 çalışma modu ve formülleri
(2.26)
(2.27)
(2.28)
(2.29)
(2.30)
15
Şekil 2.10. -180 derece iletim için faz gerilimleri
120 derece iletim
Bu tip kontrolde, her transistor 120 derece iletiyor, aynı anda sadece iki transistor
iletimdedir. Gate sinyalleri Şekil 2.10 gösterilmektedir.
16
g1
wt
g2
g3
wt
wt
g4
g5
wt
g6
wt
Van
wt
wt
Vbn
wt
Vcn
wt
Şekil 2.11. 120 derece iletim için gate sinyalleri [2,5,6]
17
3. MOTOR
Asenkron motorun stator sargılarından geçen akım manyetik döner alan üretir. Bu döner
alanın etkisi altında kalan rotor sargıları üzerinde alternatif gerilimler endüklenir. Rotor
sargıları kısa devre edilmiş ise, bu sargılar üzerinden geçen akımlar rotor döner alanını
oluşturur.
3.1. Asenkron Motor
Rotor döner alanı ile stator döner alanının karşılıklı etkimesi sonucu rotor dönmeye başlar.
Bir asenkron motor’a bu nedenle mekanik komütasyon gerektirmez, rotor stator aktarılan
enerjinin tamamını veya bir kısmını için ayrı-uyarma ya da kendi kendine uyarım, evrensel
DC ve büyük senkron motorlar gibi. Bir indüksiyon motorun rotor sargılı türü veya sincap
kafesli tipte de olabilir. Üç fazlı sincap kafesli asenkron motorlar yaygın olarak endüstriyel
sürücülerde kullanılmaktadır dayanıklı, güvenilir ve ekonomik olduğu için.Fanlarda ve ev
aletleri gibi küçük yük gerektiren durumlarda genellikle tek fazlı asenkron motorlar
kullanılmaktadır. Geleneksel olarak sabit hızlı servisi kullanılmasına rağmen, asenkron
motorlar giderek daha değişken frekanslı sürücüler (VFD) ile kullanılmaktadır.VFD'ler
değişken tork santrifüj fan ile mevcut ve ileriye dönük asenkron motorlar için özellikle
önemli enerji tasarruflu fırsatlar sunuyor.Sincap kafesli asenkron motorlar çok yaygın olarak
pompa, kompresör yükler de ve VFD uygulamalarda kullanılır.
Şekil 3.1. Üç fazlı asenkron motor şeması
18
3.1.1. Asenkron motor çalışma prensibi
Asenkron ve senkron motorların her ikisinde de, motorun statoru için verilen AC güç AC
salınımları ile zaman içinde dönen bir manyetik alan oluşturur. Oluşan bu manyetik alan
senkron hızla döner.Bu hızda dönen manyetik alan etkisile daha önce durmakta olan rotor
iletkenlerinde belli bir gerilim yüklenir. Bu indüksiyon motorun rotoru bir muhalif akım’a
neden olmaktadır. Dönen bir manyetik akı rotorun sargılarda akımlara neden olur; bir
transformatörün sekonder sargısının indüklenen akımlardan benzer bir şekilde, buna karşılık
rotor sargıları akımları stator alanına karşı tepki rotorda manyetik alanlar oluşturur. Lens
Yasası’na göre, rotor sargıları üzerinden akım değişikliği karşı olarak oluşturduğu manyetik
alan yönünde olacaktır. Rotor sargıları indüklenen akımın nedeni Döner stator manyetik
alandır, bu nedenle rotor bobininde akımların değişikliği karşı rotor statoru döner manyetik
alan yönünde döndürmek için başlayacaktır. Indüklenen rotorun akım ve tork büyüklüğü
uygulanan yükü dengeleyene kadar rotor hızlanır. Senkron hızda dönme indüklenen rotor
akımına neden olacağı için, bir asenkron motor her zaman senkron bir motordan daha yavaş
çalışır. Standart tasarımlı B torklu eğime sahip olan asenkron motorlar için fark ya
‘’slip’’gerçek ve senkron hız arasında 0,5ve 5% arasında değişmektedir.
Şekil 3.2. Üç fazlı güç kaynağı bir indüksiyon motor’a dönen bir manyetik alan sağlar
İndüklenen rotor akımları için, fiziksel rotor hızını manyetik alan dönen statora göre daha
düşük olmalıdır (ns): aksi halde, manyetik alan rotorun iletken göre hareket olmaz ve
herhangi bir akım bağlı olmaz. Rotorun hızı senkron hızının altına düştüğünde, rotorun
manyetik alanının dönme oranı artar, sargıları daha fazla akım indükler ve daha fazla tork
üretmeye başlar. Bir rotorda indüklenen manyetik alanın dönme hızı ve stator döner alanın
19
dönüş hızı arasındaki oran kayma olarak adlandırılır. Yük altında, hız düşer ve kayma yükü
açmak için ve yeterli tork oluşturmak için artar. Bir indüksiyon motoru, bir indüksiyon
jeneratörü olarak kullanılabilir, ya doğrudan doğrusal hareketi üreten bir doğrusal
endüksiyon motoru oluşturmak için kullanılabilir [7,8,9].
3.1.2. Senkron hız
AC motorun senkron hızı, ns, stator manyetik alanın dönme oranı, dakikadaki devir olarak
ifade edilir.
RPM
(4.1)
F Hertz olarak motor besleme frekans ve p manyetik kutup sayısıdır. Bu bir altı-kutuplu üç
fazlı motor ile üç kutuplu-çifti ayrı 120 ° ayarlamak için, p 6 eşittir ve n_s 50 Hz ve 60 Hz
besleme sistemleri için sırasıyla 1000 RPM ve 1200 RPM eşittir [10,11].
3.1.3. Slip
Kayma s, aynı frekansta, senkronize bir hızda ve çalışma hızı arasındaki fark olarak
tanımlanan devir bölgesi veya senkronize hızın veya yüzde oranı olarak ifade edilir.Bu
nedenle formülü aşağıdaki gibidir.
(4.2)
ns stator elektrik hızı ve , nr rotor mekanik hızıdır. Rotor istirahatte olduğunda senkron hızı
sıfır ve 1 arasında değişir ,kayma motorun torku belirler. Kısa devre rotor sargıları küçük
direnci olduğu için küçük bir kayma, rotor büyük bir akım indükler ve büyük tork üretir.
Tam Nominal yükte kayma küçük veya özel amaçlı motorlar için% 5'ten fazla, geniş
motorlar için% 1'den daha az değişir. Farklı büyüklükte motor mekanik bağlandığında bu
20
hız değişimleri yük paylaşımı sorunlara neden olabilir. Çeşitli yöntemler VFD genellikle en
iyi çözüm sunan, kayma azaltmak için kullanılabilir [12,13].
Şekil 3.3. 'g' olarak gösterilen kayma bir fonksiyonu olarak tipik bir tork eğrisi
3.2. DC ve AC Sürekli Mıknatıslı Motorlar
Sürekli mıknatıslı AC ve DC motorlar günümüzde birçok uygulamada sıkça kullanılmaya
başlanmıştır. Bu motorlar, asenkron yada DC motorların kullanılamayacağı uygulamalar
başta olmak üzere çok sayıda uygulamada, verimlerinin yüksek olması, hacimlerinin ve
ağırlıklarının az olması, moment yoğunluklarının ve moment/ağırlık oranlarının fazla olması
nedeniyle tercih sebebi olmaya başlamıştır.Sürekli mıknatıslı motorlar rotor yapılarına göre
sınıflandırılabildikleri gibi yaygın olarak besleme akımı dalga şekline göre de sınıfladırılırlar
‘’Fırçasız DC Motor’’(Brushless DC Motor-BLDC Motor) olarak bilinen motorlar
literatürde besleme akımı trapezoidal dalga şeklinde olan motorlardır. “Fırçasız AC motor”
(Brushless AC Motor-BLAC Motor)” veya “Sürekli mıknatıslı senkron motor” olarak
bilinen motorlar ise literatürde besleme akımı sinüzoidal dalga şeklinde olan motorlardır.
Unutulmaması gereken nokta, her iki motorun da DC veya AC bir kaynaktan
beslenebilmeleri ve her iki tür motorun da fırçasız motor olmalarıdır. Şekil ’de de
gösterildiği gibi sürekli mıknatıslı motorlar rotor yapılarına göre yüzeyden mıknatıslı,
gömülü mıknatıslı ve dış rotorlu yapılar olmak üzere 3 temel kısımda sınıflandırılabilirler.
Bu 3 gurubun dışında yer alan yüzük tip mıknatıslı yapılar da yüzeyden mıknatıslı gruba
dahil edilebilirler.
21
Şekil 3.4. (a) yüzey mıknatıslı (b) dahili mıknatıslı ve (c) dış rotorlu yüzey mıknatıslı rotorlar
3.2.1. Kalıcı mıknatıs malzemelerin karakteristikleri
Mıknatıs malzemelerin karakteristiklerinin daha iyi anlaşılabilmesi için aşağıdaki Şekil de
verilmiş olan B-H grafiğinin yorumlanması faydalı olacaktır. Mıknatıslara ait dört bölgenin
de yer aldığı B-H grafikleri üretici firmalar tarafından kataloglarda verilmektedir. Ancak bir
mıknatıs malzemenin en önemli kısmı ikinci bölge yani zıt mıknatıslanma eğrisinin yer
aldığı bölümdür. Çünkü bu eğri makinaların çalışma noktaları hakkında bilgi vermektedir.
Şekil 3.5. Sert bir mıknatıs malzemeye ait B-H eğrisi
Burada x-ekseni H yani manyetik alan şiddetini, y-ekseni ise manyetik akı yoğunluğunu yani
B’yi ifade etmektedir. B=μ0.H eşitliğinde μ0 manyetik malzeme geçirgenliği katsayısı 1
olarak kabul edilmiştir. Mıknatıslanmamış bir malzemenin ilk değerleri B=0 ve H=0’dır.
22
Dolayısıyla ilk başlangıç noktamız orjin noktasıdır. Mıknatıs malzeme bir manyetik alana
maruz bırakıldığında B-H eğrisi, uygulanan amper-sarım şiddetine bağlı olarak 0A eğrisini
izler. Uygulanan manyetik alan ortadan kaldırıldığında ise AB boyunca bir eğri çizen B-H
grafiği elde edilir.
Şekil 3.6. Zıt mıknatıslanma eğrisi
Burada (BH)max noktası maksimum enerji üretiminin olduğu noktadır. Çalışma noktasının
bu nokta olması beklenen durumdur. Ancak hava aralığı mıknatısa hareketsiz bir zıt
mıknatıslanma alanı ile etki eder ve çalışma noktası daha aşağıda bir yerde bulunur. Faz
sargılarında akım olmaması durumunda çalışma noktası açık devre noktasındadır. Faz
sargılarından akım akması halinde ise çalışma noktası daha aşağıda bir nokta olan yükte
çalışma noktasına geriler Çalışma noktası ise manyetik malzemenin şekline ve maruz
bırakılmış olduğu kalıcı mıknatıslık özelliğine sahip manyetik devrenin özelliğine bağlı
olarak değişir. Eğer mıknatıs malzeme yüksek kalıcı mıknatıs şiddetine sahip bir manyetik
devre içerisinde bulunuyorsa mıknatısın kutupları kısa devre edilmiş demektir. Dolayısıyla
H=0 değerini alır ve elde edilen akı yoğunluğu değeri olan B değeri mıknatıs malzemenin
artık mıknatısiyet akı yoğunluğu değeri olan Br değerini gösterir.
23
4. SANTRİFUJ POMPA
Santrifüj pompalar dinamik Aksi simetrik iş-emici Turbo makinaların bir alt sınıfıdır.
Santrifüj pompalar sıvı akışının hidrodinamik enerjisine dönme kinetik enerjinin dönüşümü
ile sıvıları taşımak için kullanılır.
Şekil 4.1. Bir santrifüj pompa
Dönme enerjisi, tipik bir motor veya elektrik motorundan gelir akışkan döner eksene
boyunca veya yakınında pompa türbin rotorunu girer ve pervane tarafından hızlandırılır.
Çıkan yerden bir difüzyon veya türbin odasına radyal olarak dışa akıyor. Ortak kullanım
alanları, su, kanalizasyon, petrol ve petrokimya pompalama içerir. Santrifüj pompanın ters
işlevi mekanik dönme enerjisine su basıncı potansiyel enerji dönüştürme bir su türbini
olduğudur.
4.1. Santrifüj Pompanın Çalışma Prensibi
Çoğu pompalar gibi, santrifüj pompa bir motordan alınan mekaniksel enerjiyi bir akıcı su
enerjisine dönüştürür.Üretilen enerjinin bir kısmı kinetik enerjide harcanır ,bir miktarı suyu
(hidrolik kafa ile) , yerçekimine karşı daha yüksek irtifaya pompalamk için kullanılır.
24
Şekil 4.2. Santrifüjlü pompanın kesit görünümü
Çıkış basıncı eğrileri, suyun yolunu pompa içine dairesel olarak hareket ettirmek için
merkezcil kuvvet uygulayan basıncın bir yansımasıdır. Öte yandan, bu açıklamada "dış
kuvvet tekerlek içinde oluşturulan santrifüjlü kuvvetinin orta tarafından tamamen üretilen
olarak anlaşılmalıdır. En iyi şekilde dönen pervane referans çerçevesi içinde bir kurgusal
güç olarak santrifüj kuvveti açısından anlaşılır. Su üzerinde gerçek kuvvetler içe doğru veya
merkeze doğrudur,dolasıyla mekaniksel gücün yönü suyun daire şeklinde hareket etmesine
sebep olur.Bu kuvvet bir basınç gradyanıyla ayarlanan hareketle besleniyor. Dışarıda basınç,
türbin duvarında, reaktif bir santrifüj kuvveti olarak kabul edilmiş olabilir [14].
4.2. Santrifüj Pompa Tipleri
4.2.1. Dikey santrifüjlü pompalar
Dikey santrifüjlü pompaları da konsol pompalar olarak adlandırılır. Onlar bir şaft ve rulman
destek yapılandırmayı görevlendiriyorlar ki izin versin türbin karteri durdursun o zamanki
rulmanlar karter dışındadırlar. Bu pompa tarzı şaft kapatmak için hiçbir salmastra kutusu
kullanmıyor ama onun yerine bir "kısılma buşu" kullanır. Âmâ bu geniş ölçüde çamuru içine
çektiğinde kullanılır [15].
25
4.2.2. Köpük pompalar
Mineral sektöründe ya da yağ kumları çıkarma, köpük zengin mineralleri ve zifti kumdan ve
topraktan ayırmak için üretiliyor.
4.2.3. Çok kademeli santrifüjlü pompalar
İki veya daha fazla pervanelere içeren bir santrifüjlü pompaya çok kademeli santrifüj pompa
denir. Pervaneler aynı şaft üzerine ya da farklı şaftları üzerine monte edilebilir; çıkıştan daha
yüksek basınçlar için pervaneler seri olarak bağlanabilir. Daha yüksek akış çıkışı için,
pervaneler paralel olarak bağlanabilir.
4.3. Enerji Kullanımı
Bir su pompalama sistemi kurulurken,sistemin çalışması için gereken enerji miktarı gerekli
su debisi, su kuyu derinliği, boru hattının uzunluğu ve sürtünme gibi farklı parametrelerle
hesaplanır. Bir pompa (Pi) götürmek için gerekli gücü, sadece SI birimleri tarafından
kullanılarak tanımlanır [16].
(4.1)
Pi gerekli olan giriş gücü (W)
ῥ sıvı yoğunluğu(kg/m3)
g standart yerçekimi ivmesi(9.80665 m/s2)
H enerji Kafa akışına eklenen
Q akış hızı (m3/s)
ῃ pompa verimi
26
27
5. FOTOVOLTAİK MODÜLÜ
5.1. Güneş Enerjisi
Güneş enerjisi yeryüzünde üretilen enerjinin büyük bir kısmını uluşturmaktadır. İnsanlarda,
hayvanlar ve bitkiler gibi, ısınma ve gıda ihtiyaclarını gidermek
için güneşden
faydalanırlar.Ancak, insanlar da diğer birçok farklı şekillerde güneş enerjisini
kullanıyor.Benzer şekilde biomas güneş enerjisini yakıta çeviriyor ısı,ulaşım ve elektrik
üretimi için kullanıyor. Rüzgar enerjisi yüz yıllarca ulaşım için mekaniksel enerji sağlamak
için
kullanılmış.Günümüzde
çeviriyorlar.Hidroelektrik
rüzgar
enerjisi
turbinleri
güneşten
rüzgar
gücünü
türetilmiştir.güneş
etkisiyle
elektriğe
suyun
buharlaşmasını ve buharlaşan suyun yağmur olarak tekrar yeryüzüne dönmesi sonucunda
barajlardaki suyun yükselmesi sağlanır. Fotovoltaik güneş enerjisinden yararlanmada basit
ve zarif bir yöntemdir. Güneş pilleri üzerine gelen güneş ışığını elektrik enerjisine
dönüştürür,Güneş pillerinin gürültüsüzlüğü,çevre dostu olması
gibi özellikleri onları
güvenilir ve uzun ömürlü hale getirir [17].
5.2. Fotovoltaike Giriş
Fotovoltaik güneş hücreleri kullanılarak ışığını direkt olarak elektriğe dönüştürme
işlemidir.Günümüzde yenilenebilir enerji alternatiflerinden elektrik üretime fosil yakıt
elektrik üretimine göre hızla büyüyor ve önemi artıyor diğer elektrik üretim teknolojileriyle
kıyas ettiğimizde yenilenebilir enerjiler kullanımı 1950 ‘lerde ilk ortaya çıkan pratik
fotvoltaik cihazlarla yenidir.Fotovoltaik araştırma ve geliştirmesi en büyük desteğini 1960
larda uzay endüstrisinden aldı uydu uygulamalarında şebekeden bağımsız bir güç kaynağına
ihtiyaç vardı.1970 lerde petrol krizi çıktı ve alternatif enerjiler dünyanın dikkatini üzerine
çekti ve bu da fotovoltaik enerji konusuna olan araştırmanın önemini artırdı. Petrol krizi
kısa sürdü ve bu güneş enerjisi konusunda araştırmaların mali desteklerini hafifletti ama
güneş hücreleri bir güç üretim teknolojisi olarak devreye girdi. Uzak bölgelerde güç kaynağı
olarak kullanımı ve uygulaması çok hızlı tanındı ve karasal fotovoltaik sektörünün hızlı
gelişmesine sebep oldu. Küçük ölçekli taşınabilir uygulamaları ve uzak bölgelerde
kullanılabilen avantajları onlardan yaralanmaya başlamasına neden olmuştu. 1980'lerde
silikon güneş hücrelerine araştırma işe yaradı ve güneş hücreleri verimliliklerini artırmaya
28
başladı. 1985 de silikon güneş hücreleri % 20 verimlilikle dönüm noktasına ulaştı Sonraki
on yılda,fotovoltai endüstrisi büyük ölçüde uzaktan ,enerji piyasası tarafından destekle %
15 ve% 20 arasında istikrarlı büyüme oranlarını yaşadı. Güneş hücreleri 1997 yılında
%38’lik bir büyüme yaşadı ve günümüzde sadece şebekeden uzakta olan tüketiciler için
elektrik üretimi ve yaşam kalitesini yükseltmek için kullanılmıyor bunun yanında gelişmiş
sanayi ülkelerinde geleneksel elektrik üretiminden kaynaklanan çevre kirlilikleri ve
zararlarını azaltmak için de bir yöntemdir [18].
5.3. Işığın Temel Özellikleri
5.3.1. Güneş ışığının özellikleri
Bizim yeryüzünde her gün gördüğümüz güneş ışığı, güneşten yayınlanan ışığın sadece bir
bölümüdür. Güneş ışığı
elektromanyetik
radyasyonun bir formudur ve bizim
görebileceğimiz kısmı elektromanyetik spektrumun bir alt kümesidir aşağıda gösterilmiştir.
Şekil 5.1. Elektromanyetik spektrum
Elektromanyetik spektrum belirli bir dalga boyuna sahip olan ışık dalgası olarak tarif edilir.
Bir kaç anahtar kriter var ki güneş enerji konusunda kritik sayılır ve güneş ışığının bir
fotovoltaik çevirici veya başka bir nesneyle nasıl davrandığını gösteriyor. Güneş enerjisinin
önemli özellikleri şunlardır: Işığın spektral içeriği,Güneşten gelen radyan güç
29
yoğunluğu,düşen küresel güneş ışığını bir modüle çarptığı açıdır ve belirli bir yüzey için bir
yıl ya da gün boyunca güneş ışıma enerjisidir.
5.3.2. Foton enerjisi
Bir foton enerjisi bir dalga uzunluğunda ki λ la gösterilir ve ya eşdeğer bir enerji k E ile
karakterize edilir. Foton enerjisi (E) ve aşağıdaki denklem ile verilen ışık (λ) dalga boyu
arasında aşağıdaki gibi ters bir ilişki vardır.
ℎ𝑐
E=
𝜆
(5.1)
Burada λ plank sabitidir ve c ışığın hızıdır.
h=6,626 x 10-34
ve
c=2,998 x 108 m/S
Elde tek ibaret yapmak için bir çarpmayla hc= 1,99 x 10-25 juls-m Yukardaki ters ilişki
bunu gösteriyor ki ışık bir yüksek enerji ve kısa dalgaya veya düşük enerji ve uzun dalgaya
sahiptir [19].
5.3.3. Foton akışı
Foton akısı, birim alan başına saniyede fotonlarının sayısı olarak tanımlanır.
Ф=
𝑓𝑜𝑡𝑜𝑛 𝑠𝑎𝑦𝚤𝑠𝚤
𝑠𝑎𝑛𝑖𝑦𝑒 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑒 𝑘𝑎𝑟𝑒
(5.2)
Foton sayısı bir güneş hücresinden üretilen elektron ve oluşturulan akım açısından
önemlidir. Foton akısı foton enerjisi ve dalga boyu konusunda bir bilgi vermemektedir, ışık
kaynağının foton enerjisi veya dalga boyu da belirtilmelidir. Belirli bir dalga uzunluğunda
foton dalga uzunluğu enerjisiyle foton akısı çarpması foton güç yoğunluğu hesaplamasında
kullanabilir. Güç yoğunluğu, tek foton enerjisi ile foton akısı çarpılarak hesaplanır. Foton
akısı foton akısı içeren foton enerjisi ile çarparak, belirli bir zaman içinde bir yüzeye çarpan
fotonların sayısı elde edilir, çünkü bir güç yoğunluğu denk bir birim zaman başına bir yüzeye
30
çarpan enerji verir. W/m2 birimi olarak güç yoğunluğunu belirtmek için fotonun birimi jul
olmalıdır denklem. Denklemler sırayla gösterilmektedir [19].
H(
𝑊
𝑚^2
H(
)=Ф x
𝑊
𝑚^2
ℎ𝑐
𝜆
)=Ф x q
SI birimi
1.24
𝜆(𝜇𝑚)
dalga uzunluğunda 𝜇𝑚 olarak
𝑊
H(𝑚^2)=Ф x qE(ev) enerji için ev de
(5.3)
(5.4)
(5.5)
Ф foton akısı ve q elektronik şarj değeridir 1.6*10-19
5.3.4. Spektral radyasyonu
Spektral radyasyonu F ile gösterilir ve foton dalga boyunun ve ya enerjisinin bir
fonksiyonudur ve bir ışık kaynağının karakterize etmesi için en yaygın yoludur Ayrıca,
belirli bir dalga boyunda güç yoğunluğunu verir. Spektral radyasyoun birimleri Wm-2 mu/m
dir. Güneş pillerinin analizinde, foton akısına hem de yanı sıra spektral radyasyona ihtiyaç
vardır. Spektral radyasyonu belir bir dalga W/m2 boyunda foton akısını çevirerek
hesaplanabilir, foton akıŞı bölümünde gösterildiği gibi, sonuçlar aşağıdaki denklemde
gösterilmektedir.
1
F(λ)=ФE∆𝜆
SI birimlerinde
F(λ) spektral radyosunundur Wm-2 mu/m biriminde
Ф foton akısıdır m-2 sec-1
E ve λ foton enerji ve dalga boyudur jul ve metre birimlerinde.
5.3.5. Radyant güç yoğunluğu
Bir ışık kaynağından yayılan toplam güç yoğunluğunu spektral radyasyonun dalga
uzunluğunda ya enerjinin tamamında entegre ederek hesaplayabiliriz.
(5.6)
31
∞
H=∫0 𝐹(𝜆)𝑑𝜆
(5.7)
H: ışık kaynağından yayınlanan toplam ışık Wm-2, F(λ): spektral radyasyonu Wm-2 mum-1 ve
dλ dalga uzunluğu.Ancak, ışık kaynağı için tayf ışıması için kapalı bir şekilde denklemi
genellikle mevcut değildir. Bunun yerine ölçülen spektral radyasyonu üzerinde ölçülen dalga
boyu aralığı ve daha sonra tüm dalga boyları üzerinden hesaplanır.
H=∑𝑖 𝐹 (𝜆)Δ𝜆
(5.8)
H: ışık kaynağından yayınlanan toplam ışık Wm-2, F(λ): spektral radyasyonu Wm-2 mum-1
ve ∆λ dalga uzunluğu
Şekil 6.2. Bir kaynaktan gelen genel güç hesaplaması
5.4. Güneş Pilinin Yapısı
Güneş pilleri diğer elektronik malzemelerine yakın bir hale getirilmiştir. Silikon sayfaları
yarı iletken malzemelerin ve fotovoltaik cihazların merkezinde olan fiziksel mekanizmaları
kapsamaktadır. Bu fiziksel mekanizmalar sadece güneş pilleri için değil belki P-N
bağlantısının çalışmasını açıklamaktadır (bipolar bağlantılı transistorlar ve aynı zamanda
diğer birçok elektronik cihazlar).PV yarı iletkenleri tamamen silikon değil ama piyasada
silikon dominedir [19].
32
5.4.1. P-N bağlantısının oluşumu
Aşağıda gösterildiği gibi pn eklemleri, n-tipi ve p-tipi yarı iletken malzemeler birleştirilerek
oluşturulur. N-tipi bölge yüksek elektron konsantrasyon ve p-tipi, yüksek bir delik
yoğunluğu sahip olduğu için, elektron p-tipi tarafına n-tipi tarafından yayılır. Aynı şekilde,
delik n-tipi tarafına p-tipi taraftan difüzyon ile akar. Eğer elektronlar ve delikler şarj
edilmese bu difüzyon işlemi elektron ve deliklerin sayısı iki tarafta beraber olana kadar
devam edecek. Dolasıyla p-n bağlantısında elektron ve delik bağlantının karşı tarafına
geçtiğinde maruz şarj takviye bırakıyorlar ki yerinden hareket edemiyorlar. N-tipi tarafında,
pozitif iyon çekirdek maruz kalmaktadır. P-tipi tarafında, negatif iyon çekirdek maruz
kalmaktadır. n tipi malzeme içinde pozitif iyon çekirdekleri ve p tipi malzeme içinde negatif
iyon çekirdekleri arasında E elektrik alanı oluşuyor. Bu bölgeye boşaltma alanı denir, buna
göre elektrik alanı hızlı bir şekilde yüksüz taşıyıcıları dışarı süpürür ve bu bölge yüksüz
taşıyıcılardan boşalır. Vbi bir inşa potansiyeli olarak E ye bağlı bağlantıda oluşuyor.
(a)
(b)
(c)
Şekil 5.3. p-n bağlantısı arasında E alanın uluşması. (a) normal p-n bağlantısı (b) p-n
malzemelerle taşıyıcılar ayrıldığında rastgele hareket ediyorlar (c) malzemelerin
birleştirildiği zaman fotonlar diğer bölgeye geçmeye başlıyor ancak, sabit iyon
çekirdikler geride bir elektrik alanı oluşturuyor. Elektrik alanı delikleri p tipi
malzemede elektronları ise n tipi malzemede tutmaya
5.4.2. Güneş hücresinin yapısı
Bir güneş hücresi, doğrudan güneş ışığını elektrik enerjisine dönüştüren bir elektronik
cihazdır. Işık güneş hücresinin üzerine düşüyor ve güneş hücresi elektrik üretmek için bu
ışını akım ve gerilime çeviriyor. Bu işlemin ilk olarak bir malzemeye ışığı emsin ve
elektronu yüksek bir enerjiye taşısın ve sonra bu yüksek enerjili elektronu dış bir devreye
taşınmasına ihtiyacı var. Elektron yüksek enerjisini dış devreye bırakır ve güneş hücresine
33
geri dönüyor. Malzeme ve süreçlerin çeşitli potansiyel fotovoltaik enerji dönüşüm
gereksinimlerini tatmin edebilir. Âmâ pratikte nerdeyse tüm fotovoltaik enerji
dönüştürücüler p-n birleşiminden oluşan yarı iletken malzemeler kullanıyorlar.
Şekil 5.4. Güneş hücresinin yapısı
Bir güneş hücresinin işleminde temel adımlar şunlardır:
1) Işık oluşturulan taşıyıcıların üretimi;
2) Işık üreten taşıyıcıların ışık akım üretmek için toplaması;
3) Güneş pili üzerinde büyük gerilimin oluşturulması ve
4) Yükte ve parazit dirençlerde enerjiyi bırakmak [20].
5.4.3. Işık oluşturulan akım
Güneş hücresinde üretilen ve iki anahtar işlemden oluşan akıma ışık oluşturulan akım denir.
İlk işlem yayınlanan fotonu emmek ve elektron-delik çiftini üretmektir. Elektron-delik çifti
çarpan fotondan bant boşluğundan yüksek bir enerjiye sahip olmak koşul ile güneş
hücresinde üretilecek. Bununla birlikte (p tipi malzemede elektronlar) ve (n tipi
malzemede)delikler yarı kararlı ve sadece var olacaktır ve kısa bir süre için bu süre azınlığın
re kombinasyon yapmak süresinden kısa olacaktır. Eğer taşıyıcılar birleşeler sonra ışık
oluşturulan elektron-delik çifti kaybolur ve hiç bir türlü güç ve akım uluşturulmaz.İkinci
işlem p-n birleşiminle bu taşıyıcıları toplamak, mekânsal olarak elektron ve delik ayrılması
için bir pn eklemi kullanarak bu re kombinasyon engeller. Taşıyıcılar p-n birleşiminde
elektrik alanın etkisiyle ayrılır. Eğer ışık oluşturulan azınlık taşıyıcılar p-n birleşimine
oluşursa çoğunluk olmadığı sürece birleşimdeki elektrik sahası vasıtasıyla birleşimden
34
çıkarılır. Güneş pilinin eğer beys ve emiteri bir birine yapışırsa( güneş pili kısa devre olursa)
ışık oluşturulan taşıyıcılar dış devreden akar. Kısa devrede ideal bir akış aşağıdaki
animasyonda gösterilmiştir.
(a)
(c)
(b)
(d)
Şekil 5.5. Kısa devrede İdeal akış. Bir pn birleşimin de elektron ve deliklerin ideal kısa
devre akımı Azınlık taşıyıcılar yarı iletken - metal sınırını geçemez ve .
rekombisyonu engellemek için birleşim tarafından toplanmalı gerekir eğer onlar
akım akışına katkıda bulunabilirlerse.(b) fotonun emilmesi elektron -delik
çiftinin üretilmesine sebep oluyor. (c)ideal olarak azınlık taşıyıcılar birleşimi
geçtikten sonra çoğunluk taşıyıcılara dönüyorlar. (d) yük geçtikten sonra
elektron delik ile toplanır ve devlereni tamamlar
5.4.4. Fotovoltaik etkisi
Işık oluşturulan taşıyıcıların toplamı kendisinden güç üretimi aşamasına kadar yükselmiyor.
Güç üretmek için, belirli bir gerilim ve akım değerine ihtiyaç vardır. Gerilim "fotovoltaik
etkisi" olarak bilinen bir süreç ile bir güneş hücrede oluşturulur. Işık oluşturulan taşıyıcıların
p-n birleşimile toplaması elektronların birleşiminin n tipi tarafına ve deliklerin p tipi tarafına
hareket etmelerine sebep oluyor. Kısa devre koşullarında, kısa devre koşullarında hiçbir şarj
birikimi yoktur ışık oluşturulan akım gibi taşıyıcılarda cihazda çıkış yapıyor. Bununla
birlikte ışık-oluşturulan taşıyıcıların güneş pilinin terk etmesine engel olursa, ışıkoluşturulan taşıyıcıların koleksiyonu elektronun p-n birleşiminin n tipi tarafında ve deliklerin
p tipi malzeme tarafında artmasına sebep oluyor. Bu şarj ayrılması birleşimde bir elektrik
alan üretiyor ki mevcut elektrik alanla karşı yönde, böylece net elektrik alanı azaltır. Elektrik
alan forward biyas difüzyon akımının akışının karşısında bir bariyer gibidir. Güneş
35
hücresinden çıkan akım IL ve ileriye doğru bastırmak akımı arasındaki farktır. Açık devre
koşulları altında, birleşimin forward biyas o noktaya kadar ki ışık-uluşturulan akımın ve
forward biyas difüzyon akımla beraber olana kadar devam ediyor. Bu beraberliğe sebep olan
gerilime ‘’açık devre gerilimi’ ’denir. Aşağıdaki şekiller açık devre ve kısa devre koşulları
altında taşıyıcıların akışını gösteriyor [20].
(b)
(a)
(c)
Şekil 5.6. Denge altında olan bir güneş pilinden taşıyıcıların akış simülasyonu kısa devre
akımı ve açık devre gerilimi koşullarında (a) ışık yok (b) açık devre gerilimi (c)
kısa devre akımı
5.4.5. I-V Eğrisi
Bir güneş hücresinin IV eğrisi ışık tarafından oluşturulan akımı ile karanlıkta solar hücre
diyotun IV eğrisi süper pozisyondur. Diyottan enerji elde etmek için ışığın dördüncü çeyreğe
aşağı doğru I-V kaydıran bir etkisi var.
I= Io[exp (
𝑞𝑣
𝑛𝑘𝑡
) − 1]-IL
(5.9)
36
(b)
(a)
(c)
(d)
Şekil 5.7. p-n birleşiminde ışığın akım-gerilim karakterisitiğne etkisi (a) Işık yokken bir
güneş pilinin elektrik karakteristiği büyükbir diyota benziyor (b) daha fazla ışık
younluğu daha fazla kaymsı miktarı (d) hücre belli bir güce ulaştığında mevcut
ekseni ters etmektedir
İlk çeyrekte I-V eğrisi için denklem;
I=IL-IO[exp (
𝑞𝑣
𝑛𝑘𝑡
) − 1]
(5.10)
Yukarıdaki denklemde -1 terim genellikle ihmal edilebilir.100 mV altında gerilimler için
eksponanseyel terim 1 den çok büyük Kabul edilir.Ayrıca düşük gerilimlerde ışık
oluşturulan akım yani IL , Io(….) terime hakimdir bunun için aydınlatma altında -1 terimine
gerek yok [20].
I=IL-IO[exp (
𝑞𝑣
𝑛𝑘𝑡
)]
(5.11)
37
5.4.6. Kısa devre akımı
Güneş pili üzerindeki gerilim sıfır olduğu zaman, kısa devre akımı, güneş pilinden geçen
akımdır (yani solar hücre kısa devre olduğunda). Genellikle ISC olarak yazılır, kısa devre
akımı aşağıdaki IV eğrisi üzerinde gösterilmiştir.
IV eğrisi.
Hücreden gelen
güç
Şekil 5.8. Kısa devre akımını gösteren bir güneş hücresinin IV eğrisi
Kısa devre akımı ışık oluşturulan taşıyıcıların üretim ve toplamasına bağlıdır.Bir ideal güneş
pili için orta direnç kayıp mekanizmasının çoğunda kısa devre akımı ve ışık oluşturulan
akımı eşittir.Bu yüzden kısa devre akımı güneş pilinden çekilen en büyük akımdır. Kısa
devre akımı, aşağıda tarif edilmiştir bir dizi faktöre bağlıdır: Güneş pili alanı, foton sayısı,
Çarpan
ışık
spektromu,optik
özellikleri,güneş
pili
toplama
ihtimaline
bağlıdır.
Aynı malzeme türü güneş hücreleri kıyaslarken, en kritik önemli parametre difüzyon
uzunluğu ve yüzey pasifleşmesidir. Mükemmel pasifize yüzey ve homojen üretimi ile bir
hücrede kısa devre akım denklemi yaklaşık olarak hesaplanabilir.
Jsc=qG(Ln+Lp)
(5.12)
Burada G, üretim oranı, Ln ve Lp elektron ve delik difüzyon sırasıyla uzunlukları. Bu
denklem karşılaştırdığımız güneş pillerin çoğunda onları kapsayan koşullar koşullar için
doğru olmayan çeşitli varsayımlar yapar. Yukarıdaki denklem yine de kısa devre akımı
üretim oranı ve difüzyon uzunluğuna kuvvetle bağlı olduğunu göstermektedir. Bir AM1.5
spektrumun altında silisyum güneş hücreleri 46 mA / cm2 mümkün olan maksimum akımı
38
var. Laboratuvar aygıtları üzerinde 42 mA / cm2 kısa devre akımları ölçmüşlerdir ve ticari
güneş pili yaklaşık 28 mA / cm2 ve 35 mA / cm2 arasında kısa devre akımları var [20].
Şekil 5.9. kısa devre akımın ve bandgenişliği eğrisi
5.4.7. Aydınlatılmış akım ve kısa devre akımı (IL veya ISC?)
IL güneş pili içinde ışık oluşturulan akım ve güneş pilinin denklem içinde kullanılan doğru
terimidir.Kısa devre koşullarında dışardan ölçülen akım Isc dir.Isc ve IL genellikle eşit
olduğundan dolayı birbirinin yerine kullanılır ve basitleştirmek için Isc , IL yerine yazılır.Çok
yüksek seri bir direnç durumunda(> 10Ώcm2) Isc ,IL den küçüktür ve denklemi Isc le yazmak
doğru değildir.Başka bir varsayım aydınlatma akım IL gelen ışığa sadece bağımlı ve hücre
boyunca voltaj bağımsız olmalıdır.
5.4.8. Açık devre gerilimi
Açık devre voltajı, VOC, bir güneş pili temin edilebilen maksimum gerilim, sıfır akımla
gerçekleşir.Açık devre voltajı güneş hücresinin beyas forwardına bağl ışık oluşturulan akım
ile güneş hücresinin birleşimi bayası. Açık devre I-V eğrisi aşağıda gösterilmiştir.
39
IV eğrisi.
Hücreden gelen
güç
Şekil 5.10. Açık-devre voltajını gösteren bir güneş hücresinin IV eğrisi
Voc için denklem aşağıda gösterilmektedir.
Voc=
nKT
q
ln(
IL
Iq
+ 1)
(5.13)
Yukardaki denklem açık devre geriliminin doyum akımına ve ışık oluşturulan akıma bağlı
olduğunu gösteriyor. Isc genellikle küçük bir değişime sahipken, anahtar etki doygunluk
akımıdır çünkü bu büyüklüğe göre değişebilir. Doyum akımı Io güneş pili
rekombinasyonuna bağlıdır. Açık devre gerilimi daha sonra cihazda rekombinasyon
miktarının bir ölçüsüdür. Yüksek kalitede tek kristalli bir malzeme üzerinde silisyum güneş
pilleri, AM 1.5 koşulları ve güneş altında 730 mv kadar açık devre gerilimi var.Voc aynı
zamanda taşıyıcı konstransyon üzerinde de belirlenebilir.
KT
Voc= q 𝑙𝑛 [
(NA+∆n)∆n
ni2
]
(5.14)
Burada KT/q termal gerilim, NA doping konstransoyunu, NA doping konstarasyonu, Δn fazla
taşıyıcı konsantrasyonu ve ni içsel taşıyıcı konsantrasyonudur. Taşıyıcı konsantrasyonundan
VOC'nin belirlenmesi de Voc ima ediyor. O yerde ki kısa devre akımı (ISC) bant aralığı arttıkça
azalırsa, açık devre gerilimi bant aralığı arttıkça artar. İdeal cihazda VOC ışıma
rekombinasyon ile sınırlıdır ve analiz Jo için mümkün olan en düşük değerini belirlemek için
ayrıntılı bir denge prensibini kullanır.Diyot doyurma akımı, en düşük değer ile verilir.
40
𝑞 15𝜎
J0=𝑘
𝜋4
∞ 𝑥 2 dx
𝑒 𝑥 −1
T3∫𝑢
(5.15)
Burada q elektronik şarjdır, σ Stefan boltzman sabiti, k Boltzmann sabiti ve T sıcaklık
𝐸
u=𝐾𝑇𝐺
(5.16)
Şekil 5.11. Bant aralığının bir fonksioyunu olarak diyot doygunluk akımı
Yukarıda hesaplanan J0 doğrudan Voc belirlemek için standart solar hücre denklemin içine
yerleşebilir [20].
41
Şekil 5.12. Voc AM 0 ve AM 1,5 olan bir hücre için bandaralığının bir fonksiyonudur
5.4.9. Doldurma faktörü
Bir güneş hücresindeki kısa devre akımı o hücrenin maksimum akımını verir .Güneş
hücresindeki açık devre gerilimi ise o güneş hücresindeki maksimum gerilimi ifade eder.
Bununla birlikte bu çalışma noktaların ikisinde de güneş hücresinin gücü sıfırdır. Doldurma
faktörü ki yaygın kısaltması FF le çok tanınır Voc ve Isc nin ortak noktasıdır ve bir güneş
hücresinden maksimum çıkan gücü belirler. FF güneş hücresinden çıkan maksimum gücün
ve Voc ,Isc çarpısının oranınla tanınır. Grafik olarak FF, IV eğrisine uyacak büyük
dikdörtgenin alanıdır. FF aşağıda gösterilmektedir.
42
Şekil 5.13. Voltajın fonksiyonu olarak ölçülen, hücre çıkış akımı ve güç grafiği
FF IV eğrinin "diklik" bir ölçüsüdür gibi IV eğrinin "yuvarlak" kısmı, daha az yer kaplar,
çünkü daha yüksek bir gerilime sahip bir güneş hücresi, bir daha büyük bir olası FF
sahiptir.Teorik olarak güneş pilinin doldurma faktörünü hesaplamak için gücten gerilime
göre türev alıp ve nerde sıfır olduğunu buluruz.
𝑑(𝐼𝑉)
𝑑𝑣
=0
(5.16)
(5.17)
Bununla birlikte, yukarıdaki teknik, basit ya da kapalı bir şekilde denklemi elde etmez.
Yukardaki denklem sadece Voc ve Vmp le ilişkilendiriyor ve Imp ve FF bulmak için ekstra
eşitlikler gerekiyor. FF için daha yaygın olarak kullanılan bir ifade deneysel olarak
belirlenebilir:
(5.18)
Burada Voc normalize edilmiş Voc olarak tanınır.
(5.19)
43
Yukardaki eşitlikler, daha yüksek bir voltaj, daha yüksek olası bir FF sahip olacağını
göstermektedir. Bununla birlikte, belirli bir malzeme sistemi içinde açık devre gerilimi
büyük değişiklikler oldukça nadir görülür. Örneğin, bir güneşe, bir silikon laboratuar aracı
ve tipik bir ticari güneş hücresi için ölçülen en yüksek açık devre gerilimi arasındaki fark en
fazla FF, sırasıyla 0,85 ve 0,83 veriyor yaklaşık 120 mV olur. Bununla birlikte, en fazla FF
varyasyon farklı malzemelerden yapılan güneş hücreleri için önemli olabilir. Örneğin, bir
güneş pili, GaAs 0,89 yaklaşan bir FF sahip olabilir. Yukarıdaki denklem idealite faktörünün
önemini ortaya koymaktadır, ayrıca güneş hücrenin "n-faktörü" olarak da bilinir. Idealite
faktörü bağlantı kalitesinin bir ölçüsüdür ve bir solar hücre rekombinasyonun türüdür. Basit
bir re kombinasyon mekanizmaları için n-faktörü 1 değerine sahibtir.Yukardaki eşitliklerde
mümkün olan en büyük FF temsil edilmesine ragmen, pratikte FF parazitik Direnç Etkileri
de ele alınmaktadır. Parazit direnç kayıpları mevcut olduğu zaman FF daha da düşük
olacaktır [20].
(5.20)
5.4.10. Verim
Verimlilik güneş pillerinin performansını birbirlerine karşılaştırmak için en yaygın
yöntemdir.Verim güneş hücresinden çıkan enerji ve güneşten güneş hücresine giren enerji
oranından ibarettir.Verimlilik ,spektroma,çarpan güneş ışığının şiddetine ve sıcaklığına
bağlıdır, bu nedenle verimlilik hangi koşullar altında ölçülür başka bir cihazın
performansıyla karşılaştırmak için kontrol etmek gerekiyor. Karasal güneş hücreleri AM1.5
koşullar altında ve 25 ° C arasındaki bir sıcaklıkta ölçülür.Uzay için tasarlanan güneş pilleri
AM0 koşulları altında ölçülür.Bir güneş hücresinin verimi çarpan enerjinin bir kısmı olarak
tanınır ki elektriğe dönüştürülmüş :
(5.21)
(5.22)
44
Burada Voc: açık devre gerilimi
Isc:kısa devre akımı
, FF doldurma faktörü , 𝜂:
verimliliktir.Verimlilik hesapları için giriş gücü 1 kW /m2 veya 100 mW / cm2 dir. Böylece
100 × 100 mm2 hücreye giriş gücü 10 W ve 156 × 156 mm2 hücre için 24,3 W .
5.4.11. Parazitik dirençler etkisi
Rezistif etkiler güneş hücrelerinde dirençte enerjiyi boşa harcamakla verimi düşürüyor. En
sık görülen parazitik dirençler seri direnç ve şönt direnci.
Şekil 5.14. Bir güneş pili hücresinde seri ve paralel parazitik dirençler
Çoğu durumda paralel ve seri direnç tipik değerleri için, parazitik direnci en önemli etkisi
doldurma faktörünü azaltmaktır. Büyüklüğü seri ve paralel direnç etkisi güneş hücresinin
çalışma noktasında, güneş pili geometrisine bağlıdır. Direncin değeri güneş hücresi alanına
bağlıdır. Farklı alanlara sahip olabilir güneş pillerinin seri direnç karşılaştırırken, direniş için
ortak bir birim Ωcm2 bulunmaktadır. Aşağıda gösterildiği gibi bu bölge-normalleştirilmiş
direnç Ohm kanununda mevcut yoğunluğu ile şimdiki yerine sonuçlanan:
(5.23)
5.4.12. Modül yapısı
Bir PV modülü birbirine bağlanan güneş hücrelerinin bir dizisidir. Bir tek, uzun ömürlü,
istikrarlı birim içine kapsül edilir(tipik olarak 36 seri bağlı).Elektriksel olarak güneş
hücrelerini kapatmanın önemli amacı bağlantı tellerini tipik olarak sert kullanıldığı
ortamdan korumaktır. Örnek olarak, güneş hücreleri incedir ve eğer korunmasalar
mekaniksel olarak hasar görebilirler. Buna ek olarak güneş pilinin üzerinde ki metal ağı ve
güneş pillerini birbirine bağlayan telleri su ve su buharıyla paslanabilirler. Güneş pilinin
kapatmasının iki önemli nedeni var. Biri mekaniksel hasardan engellemek için ve diğeri
45
elektrik kontaklarını su ve su buharile paslanmaktan kurtarmaktır.PV modüllerinin çok farklı
tipleri vardır ve güneş modül yapı farklı hücre tipleri için ya da farklı uygulamalar için
genellikle farklıdır. Örneğin, amorf silikon güneş hücreleri genellikle esnek bir diziye kapsül
edilir uzak enerji uygulamaları için toplu silikon güneş hücreleri ise ön cam yüzeyler
genellikle katıdır.Dökme silikon PV modüllerindeki modül ömrü ve garantiler, 20 yıl
üzerindedir, kapsüldenmiş bir PV modülü sağlamlık göstermektedir. Tipik bir garanti
modülünün ilk 10 Yıl için anma çıkışı% 90 ve 25 yıla kadar olan nominal çıkış% 80
ürettiğini garanti edecektir. Imalatçı firmanın iflas etmesi durumunda üçüncü bir şirket
tarafından garanti desteği sağlanmaktadır [20].
Şekil 5.15. Bir dökme silikon mödülü
46
47
6. HESAPLAMALAR, SİMULASYON VE SONUÇLAR
Girişte bildirdiğim gibi bu tezde amaç belirli bir tarımsal araziyi göze alarak ve onun
ektiğimiz toprak kalitesi, bölge de yağış miktarı ve ekmek istediğimiz bitkinin özelliğine
göre ihtiyaç duyduğumuz suyun miktarını hesaplamak ve hesaplamalara göre sistemimizi
tasarlamaktır. Gerekli olan hesaplamaları yapmak için ziraat ve meteoroloji bilimlerinden
bilgi alınması ve konu ile ilgili bazı tanıtımların yapılması gerekiyor.
Şekil 6.1. Uzun yıllar içinde Ankara da gerçekleşen günlük güneşlenme süresi
Şekil 6.2. Uzun yıllar içinde Ankara da gerçekleşen yıllık yağış miktarı
48
Ektiğimiz her bitkinin belirli bir süre içinde belirli bir miktar suya ihtiyacı var, bu suya
yağmur tarafından temin edilecek yada sulama vasıtasıyla, çoğunlukla yağmur ve sulama
yöntemi kullanılır [21].
6.1. Toplam Sulama Suyu Miktarı
Sulamak için hesaplanan miktar kadar suya ihtiyaç var, kaynaktan, tarlaya su aktarılana
kadar kanallarda bir miktar su kaybı yaşıyoruz, önemli olan tarlabaşı’nda bize ulaşan su
miktarıdır. Tarla başında ihtiyaç duyduğumuz su miktarı:
d
dt =En
(6.1)
a
dn: Her sulamada ihtiyaç duyduğumuz net sulama suyu miktarı, mm olarak yazılır.
dt:Toplam sulama suyu ihtiyacı, birim mm
Ea: Sulamak istediğimiz alanın toplam sulama randımanı, % olarak yazılır [22].
6.2. Sulama Aralığı
Bitkilerin sağlıklı gelişip ve büyüyebilmeleri ve kaliteli ürün elde etmek için zamanında ve
gereken miktarda su verilmesi gerekir. Bu nedenle eğer bitkinin kök bölgesine az su verilirse
veya sulama zamanı geçirilse bitki gelişmesini olumsuz etkiler. Eğer bitki bölgesine
ihtiyacından fazla su verilirse toprakta bütün boşluklar su ile dolar ve bitki kökü havasız
kalır zamanla bitki kuruyabilir. Sulama aralığı bitkinin kaç gün ara ile sulanacağını gösteren
bir formüldür. Sulama aralığı bitkinin günlük su tüketimine ve toprağın bünyesine göre
değişir. Sulama aralığı Eş. (6.2)’daki gibidir [22].
SA=
dn
𝐸𝑇
SA: Gün olarak sulama aralığı
dn: mm cinsinden net sulama su miktarı.
ET: mm/gün olarak bitki su tüketimi.
(6.2)
49
6.3. Sistem Kapasitesi
(6.3)
Adt
Q= 3,6𝑇
Q:L/s olarak sistem kapasitesi
DT: mm olarak toplam sulama suyu ihtiyacı
A:da biriminden sulanacak alan T: Sulama süresi, birimi h
6.4. Sulama Modülü
1 hektar araziye bir bitkinin veya tüm bitkilerin bütün yetişme dönemi için devamlı akış
halinde saniyede gerekli su debisidir. Birimi l/s/ha’dır. Bu planlamada bize mevcut suyun
yeterli olup olmadığını veya mevcut sulanacak alan için gerekli olacak sulama suyu miktarı
hakkında fikir verir ve q ile tanınır [22].
q=
10dt
3.6𝑇
(6.4)
q:l/s/h biriminde sulama modülü
dt =Proje alanı toplam sulama suyu ihtiyacı, mm/ay
T=Sulama süresi, h (günlük sulama süresi h x 30 gün)
6.5. Sulama Zamanı Planlaması
Sulama zamanı planlaması, bitkiye ne zaman ve ne miktarda su uygulanmasının
belirlenmesidir. SZP için; bitki cinsi, ıslatılacak toprak derinliği, kullanılabilir su tutma
kapasitesi, toprak nemi hangi düzeyde olduğunda sulamaya başlamak, bitki ne miktarda su
tüketir gibi bilgilere gerek vardır.SZP de en önemli amaç, toprak nemini berelediğimiz nem
düzeyine düştüğünde tarla kapasitesine yükseltecek kadar sulama suyu uygulamaktır.
Toprak nemini, elle kontrol etmekle, ölçmekle, bitki su tüketimiyle ve fonolojik gözlemlerle
belirlenebilir.Kullanılabilir su tutma kapasitesi, toprakta depolanan ve büyüyen bitkiler için
kullanılması izin verilen su aralığıdır.Etkili toprak derinliği; toprak yüzeyinden geçirimsiz
katman ya da taban suyuna kadar olan toprak derinliği.Etkili kök derinliği; bitkilerin normal
büyümesi için gerekli olan suyun %80 inin alındığı kök derinliğidir. Etkili kök derinliğinden
50
ve etkili kök toprak derinliğinden hangisi küçük olursa sulama suyu uygulanacak toprak
derinliğini verir [22].
BİTKİ SU TÜKETİMİNİ ETKİLEYEN FAKTÖRLER
1. İKLİM FAKTÖRLERİ
-Solar radyasyon
(güneş ışınları
şiddeti)
-Sıcaklık
-Bağıl nem
-Rüzgar
-Güneşlenme süresi
-Gündüz saatleri
2. TOPRAK FAKTÖRLERİ
-Toprak nemi
-Toprağın işlenme
durumu
-Bitki örtüsü
3. BİTKİ FAKTÖRLERİ
-Bitki cinsi
-Gelişme devresi
-Büyüme mevsimi
Şekil 6.3. Bitki su tüketimini etkileyen faktorlerin akış şeması
6.6. Projenin Tanıtımı ve Verilen Veriler
Sistemi tasarlamak için proje tanıtmam gerekiyor. Nerede ve ne kadarlık bir arsada ve ne tür
bir bitki dikmek istiyoruz? Bu yüzden kendime aşağıda ki gibi bir soru hazırlıyorum.
Ankara’da 100 hektarlık bir tarlada patlıcan yetiştirmek istiyoruz ve tarlamız elektrik
şebekesinden uzak olduğu için güneş enerjisi ile sulamaya karar vermiş bulunuruz. Sulamak
için ne kadar miktarlık su gerekiyor ve tarlanın sulamasında ne tür bir metod uygulanacak?
Her şeyden önce bize gereken su miktarını hesaplamalıyız ve sonra sistemimizi ve gereken
miktar enerjimizde su miktarına göre tasarlamalıyız. Su miktarını hesaplamak için bazı
faktörleri gözden kaçırmamız gerekiyor ve Ankara da yağış miktarı ve bölge toprak cinsi ve
patlıcanın etkili kök derinliği ve toprak su tutma kapasitesi gibi faktörler önemlidir. Önce
patlıcanın nasıl bir bitki olduğunu araştırırız ve etkili kök derinliği ne kadardır ve hangi
aylarda yetiştirilebilir ve kaç gün arayla sulamalıyız? Patlıcan ,ılık iklimlerde tek yıllık ve
tropik iklimlerde ise küçük bir ağaç şeklinde büyüyen çok yıllık bir kültür bitkisidir. Patlıcan
yüksekliği ortalama 60-80 cm arası ve kök derinliği 30-60 cm arası ki burada ortalama 40
51
cm olarak farz ediyorum. Ankara da yıllık ortalama yağış miktarı grafik 5,1 kullanarak
hesaplamalarım da 400 mm olacak.
6.7. İstenilen Değerler ve Hesaplamalar
Amaç burada, tarla başında ne miktar suya ihtiyaç duyduğumuzu ve kaç gün aralıkla
sulamamızı ve her sulamada net uygulanacak su miktarının hesaplanmasıdır. Bizim
tarlamızda yapılan tahlillere göre tarla su tutma kapasitesi dk=41,25 mm.Her sulamada net
uygulanacak su miktarı Eş. (6.5)’daki gibidir.
(6.5)
dn=dk D Ry=41,25x0,4x0,5=8,25 mm
Sulama aralığı Eş. (6.6)’daki gibidir.
d
8,25
SA= 𝐸𝑇n = 4 = 2 𝑔ü𝑛
(6.6)
Tarla başında ihtiyaç duyulan sulama suyu miktarı Eş. (6.7)’daki gibidir.
d 8,25
dt=En=0,51=16,2 m3
(6.7)
a
Sulama modülü Eş. (6.8)’daki gibidir.
𝑞=
𝐴𝑑𝑡
10 ∗ 16,2
𝐿
=
= 0,15
3,6𝑇 3,6 ∗ 30 ∗ 10
𝑠
(6.8)
Saat başına ihtiyaç duyduğumuz su miktarı Eş. (6.9)’daki gibidir.
Q=q*A=0,15*100=15 L/s
Q= 15*3600=54000L/h
(6.9)
Hidrolik pompa gücü hesaplama,bir pompa sürmek için ideal bir hidrolik güç kütle akış hızı,
sıvının yoğunluğu ve diferansiyel yüksekliğine bağlıdır bu da sistemin diğer bir yükseklikten
statik kaldırma ya da sürtünme yük kaybı bileşenidir. Ph=qρgh/(3,6x106) ve elimizdeki
bilgiler, ihtiyaç duyduğumuz su miktarı q=54 m3/h, su yoğunluğu ρ=1022kg/m3 ve g=9,81-
52
m/s2. Piyasada bulunan pompaların kataloğunda bazı özellikleri kafa uzunluğu motor gücü,
kapasitesi, gücü ve verimi verilmiştir bu yüzden burada seçilen pompanın verimi 0,6
civarında.
Ph=54x1022x9,81x28=6,8 kw
(6.10)
Hesaplamalara göre bizim pompayı çalıştıran motorumuzun gücü 6,8 kW olmalıdır.
Piyasadaki 4 kwlık asenkron AC motorların şebeke değerleri 3 faz, 400 v, 50 Hz ve Anma
hızı 1425 d/d ya denk geliyor. Üç fazlı AC asenkron motor seçtiğimiz nedeni, DC motora
göre daha ekonomik olmasıdır. Güneş paneli DC ve düşük bir miktarda gerilim üretiyor ve
motorumuz AC asenkron motor. Güneş panelinden gelen düşük DC gerilimi yükseltmek için
DC-DC dönüştürücü ve DC gerilimini uç faz AC ye çevirmek için DC-AC everici
kullanırız.Normalde her bölgeden bölgeye ve gün içinde her saatte güneş ışık şiddeti ve
sıcaklığı değişiyor bu yüzden simülasyonumuz için standart koşullar farz etmeliyiz. Standart
koşullar altında hava sıcaklığı 25 derce ve güneşin şiddeti en fazla 1000 w/m2 oluyor.
Güneşten ışın saçma miktarı gün boyunda değişiyor ve sistemimizde 200-1000 w/m2 arası
değişiyor. Bunu sağlamak için aşağıdaki gibi bir sinyal uyguluyoruz.
Şekil 6.4. Seçilmiş olan güneş ışını sinyali
53
6.8. Pv Modülün Seçimi
Güneş modülü seçiminde dikkat edilmesi gereken hususlar, modülün hücre sayısı ,açık devre
gerilimi, kısa devre akımı ve en önemli olan nokta modülün verimidir. Piyasada var olan
modüllerin çoğunlukla verimi %15 ile %20 arasında ve modülün verimi arttıkça fiyat artıyor
ve modülün her bir wat başı güç artışının fiyat bedeli 3-4 Euro kadardır. Bizim ihtiyaç
duyduğumuz miktar enerji belli, istediğimiz gücü elde etmek için arzu ettiğimiz voltaj ve
akımı elde etmemiz gerekiyor. İhtiyaç duyduğumuz voltaj ve akım miktarını sadece bir
modülle elde edemeyiz bu yüzden modülleri paralel ve seri olarak bağlarız. Modüllerin seri
bağlanmasıyla istenilen gerilim elde edilir. Modüllerin paralel bağlanmasıyla, modülün
sağlayacağı akımın miktarı ayarlanır. Seri-paralel modül bağlantıları ile arzu edilen güç
seviyesi elde edilmiş olur.
Şekil 6.5. Bir güneş panelinin combinasyonu
Şekil 6.6. Seri bağlanan Güneş panelerinin olması gereken Akım-Gerilim grafı
54
Şekil 6.7. Paralel bağlanan Güneş panelerinin olması gereken Akım-Gerilim grafı
Kullanacağım PV modülü markası burada SunPower SPR-305-WHT.Bu modülü
kullanmamız için önce modülün matlab hazır bir file olmadığı için simülasyonunu
yapmamız gerekiyor ve sonra teknik özelliklerini girerek devre de kullanmamız gerekiyor.
Şekil 6.8. Kullanılan güneş panelinin bri hücresinin simulasyonu
Arzu edilen gücü elde etmek için 24 adet modülü paralel ve seri bağlayarak sağladım.
Modülün teknik özellikleri ekler bölümünde sunulmuş ve modülün ve pv sisteminin
tamamının I-V ve P-V eğrisi gün ışını değiştikçe 250-1000 w/m2 arasında farklı ışınlarda
simülasyon sonucunda aşağıda çizilmiştir:
55
Şekil 6.9. Kullandıımız 3 seri ve 8 dizi (toplam 24) panelin akım-gerilim ve güç-gerilim
çeşitli güneş ışınlarında
Şekil 6.10. Kullandığımızz Sunpower SPR 305 wht panelin akım-gerilim ve güç gerilim
3 modülden oluşan 8 dizili pv sistemin ürettiği gerilim ve güç sırayla 175 v dc ve 7 kw tır.
Motorumuz 400 voltluk bir motor olduğu için bizim bu gerilimi yükseltmeyim iz gerekiyor
ve DC-DC dönüştürücü kullanarak bu gerilimi 400 volta kadar yükseltiyoruz [23].
6.9. DC-DC Yükselten Dönüştürücü Tasarımı
PV modüllerden gelen 175 volt dc bizim motorumuzu çalıştırması için yeterli değil ve diğer
taraftan güneş ışın şiddeti günün farklı saatlerinde değişiyor ve modüllerin açısı sabit, bu
56
yüzden sistemin maksimum güç noktasını takip etmesi gerekiyor ve bu iki nedenden dolayı
biz DC-DC yükselten dönüştürücü kullanmalıyız hem voltajımızı 400 volta yükseltmek için
ve hem dönüştürücünün dolgunluk oranını ayarlamakla maksimum güç noktasını bulmak
için. Elde olan bilgilerimiz giriş ve çıkış voltajımız ve dönüştürücü giriş sinyalimizin periyot
miktarıdır ve bunları kullanarak dolgunluk oranı ı ve dönüştürücümüzün in doktansın
miktarını bulmamız gerekiyor. Sistemin çalışma frekansı 5 KHz ve kapasite miktarını büyük
farz ediyoruz. O zaman duty cycle;
𝑉
𝑜
𝑉
𝑖𝑛
1
=
1−𝐷
400
1
, 175=1−𝐷
D=0,56 ,
(6.12)
1
Anahtarlama zamanını bulmak için fs=𝑇𝑠
kollanıyoruz. Frekans burada 5 KHz.Bu yüzden
anahtarlama zamanımız 200 μs le eşittir. İndoktans miktarını bulmak için aşağıdaki
formülden yaralanacağız [2].
(6.13)
IOB =Pmax/Vin=7kw/175=40 A. Sonuç olarak formülden L=100 μH elde ediliyor.
6.10. Maksimum Güç Noktası İzleyici
Güneş ışını gün boyunca lineer olarak değişmemektedir ve güneş ışının bir eğimi var ve bu
eğri bir yere kadar yükseliyor ve ondan sonra düşmeğe başlıyor. Eğrinin uç noktasında güç
maksimumdur. Maksimum güç noktasını takip etmek için maksimum güç noktası takip edici
sistemi kullanmalıyız ki bu sistem yükselten dönüştürücünün dolgunluk oranını ayarlayarak
her an maksimum gücü bulmaktadır. Maksimum güç noktasını bulmak için çeşitli yöntemler
var ama hepsini amacı aynı. Burada kullanılan yöntem güç eğrisini tamamen tarayan ve
sonunda maksimum güç noktasını belirleyen, artışlı iletkenlik artı bütünleşmiş regülatör
yöntemidir . Yöntemin algoritması aşağıdaki gibidir: Burada ilk önce algoritma akım ve
gerilimden örnek alıyor (V(k),I(k)) ve sonrası bir tane daha örnek alıyor(V(k-1),I(k-1)) ve
dv=V(k)-V(k-1) ve dI=I(k)-I(k-1) olarak kabul ediyor. Eğer dv=0 ve ∆I=0 olursa algoritma
bu noktayı mpp olarak kabul ediyor ve V(k-1)=V(k) ,I(k-1)=I(k) yapıyor ve başa dönüyor.
Eğer dv=0 ve ∆I>0 ,duty cycle artıyor ve V(k-1)=V(k) ,I(k-1)=I(k) yapıyor ve başa dönüyor.
57
Eğer dv=0 ve ∆I<0 ,duty cycle eksiltiyor ve V(k-1)=V(k) ,I(k-1)=I(k) yapıyor ve başa
dönüyor. Eğer dI/dV=-I/V ve dV≠0 ise algoritma bu noktayı mpp olarak kabul ediyor ve
V(k-1)=V(k) ,I(k-1)=I(k) yapıyor ve başa dönüyor. Eğer dI/dV>-I/V ve dV≠0 duty cycle
artırıyor ve V(k-1)=V(k) ,I(k-1)=I(k) yapıyor ve başa dönüyor. Eğer dI/dV<-I/V ve dV≠0
duty cycle eksitiyor ve V(k-1)=V(k) ,I(k-1)=I(k) yapıyor ve başa dönüyor. Bu olgoritma
sistemi her zaman maksimum güçte çalıştırması için devam ediyor. Maksimum güç noktası
dp/dv=0 olduğu zaman elde ediliyor. Mppt kontroller çıkışında hatayı küçültmek için
integral regülatör kullanıyoruz ve regle edilmiş çıkış düzeltilmiş dutu cycle anlamına geliyor
[24].
Şekil 6.11. Artışlı iletkenlik +entegre reglatörü’le maksimum güç noktası izleyici akış şeması
58
Şekil 6.12. Artışlı iletkenlik entegre reglatörü’le maksimum güç noktası izleyici
6.11. Evirici Tasarımı
Motorumuz 3 faz AC asenkron motor olduğu için yükselten dönüştürücüden gelen
maksimum 400 voltluk DC gerilimi 400 volt AC gerilime çevirmek için everici kullanmak
zorundayız. Matlab kütüphanesinde eviricinin hazır bir blok olduğu için özel bir tasarımı
gerek yok ama eviricinin gate ‘ni tetiklemek için ve sistemimizi ve motorumuzu düşük
gerilimlerden korumak ve zararı engellemek için voltaj kaynağı dönüştürücü(VSC)
kullanıyoruz. VSC aynı anda güç katsayısını 1 e yakın tutmaya çalışıyor ve voltajın alt
limitini burada 200 tutuyoruz ve bundan aşağı gerilimlerde VSC sistemi koruyor ve kesiyor.
VSC nin çalışma frekansı burada 5 KHz olarak ayarlanmıştır. Burada kullanılan evirici 3
kollu ve her kolunda 4 İGBT ve 2 anti paralel diyot’ a sahip olan bir eviricinin ve aşağıda
topolojisi verilmiştir.
59
Şekil 6.13. Kullanılan 3 kollu invertörün dahili şeması
Kol sayısı ve diğer parametreleri blok kutusundan ayarlanabilir [25].
6.11.1. Çok katlı evirici
Kullanılan evirici çok katlı evricidir.Çok katlı evirici kullanmamızın nedeni onun sahip
olduğu avantajlardır.Çok katlı evirici avantajlar:
1. Ortak mod gerilimi: Çok katlı evriciler ortak mod gerilimi üretiyor,motorun stresin
azaltıyor ve motora zarar vermez.
2. Giriş akımı:Çok katlı eviriciler düşük bozulumla giriş akımını çıkarabilir.
3. Anahtarlama frekansı: Çok katlı eviricler her iki temel anahtarlama frekansında yani
yüksek anahtarlama frekansı ve düşük anahtarlama frekansında çalışabilir.
4.
Azaltılmış harmonik bozulması: filtreye gerek klmadan istediğimiz harmoniki
eleyebiliriz.
60
Şekil 6.14. Kullanılan 3 kollu invertörün matlab ‘da parametr’e ayarlama penceresi
Kullanılan evericinin çıkışı aşağıda gösterilmiştir.
Şekil 6.15. Kullanılan 3 fazlı invertörün çıkış sinyalleri
61
6.12. Motor
Motor eşdeğer devresi matlabın kütüphanesinde olduğu için motor konusunda özel bir
hesaplamaya ve denklem e gerek yok ve motor blok kutucuğundan parametreleri değişerek
istediğimiz motoru devrede yerleştirebiliriz. Kullanılan motor ve parametreleri aşağıdaki
şekil de gösterilmektedir.
Şekil 6.16. Kullanılan motorun Matlab’da parametre ayar pencereleri
𝑃𝑜𝑢𝑡
Motorun verimini elde etmek için η= 𝑃𝚤𝑛 kullanıyoruz. Bildiğimiz gibi motor elektrik gücü
mekanik bir güce çeviren bir parçadır. Motora verdiğimiz güç 7 kw civarında ve dalga
şeklinden göründüğü gibi motordan aldığımız güç 4,3 kw civarındadır bu yüzden verimimiz
aşağıdaki gibidir.
𝑃𝑜𝑢𝑡
η= 𝑃𝚤𝑛 =
6,3
7
= 0,9
(6.15)
Yukardaki formülden elde ettiğimiz gibi motorun verimi %90 ‘e eşittir ki piyasadaki
motorların verimiyle karşılaştırdığımızda normal bir verim sayılır [8].
62
6.13. Pompa Seçimi ve Hesaplamaları
AC asenkron motor elektriksel enerjiyi mekanik enerjiye çeviriyor ve santrifüj pompa motor
şaftından dan gelen mekaniksel enerjiyi, hidrolik enerjiye çeviriyor. Santrifüj pompa da aynı
asenkron motorda olduğu gibi eş değer devre tasarlamaya gerek yok ve matlab
kütüphanesinde hazır bir şekilde bulunuyor ve gereken parametreleri istediğimiz gibi
değiştirebiliriz. Santrifüj pompanın matlab blok parametreleri sonraki sayfa şeklin ’de
verilmiştir.
Şekil 6.17. Kullanılan pompanın Matlab’da parametre ayar penceresi
Santrifüj pompanın verimi su gücü(çıkış) ve şaft gücü oranınla eşittir ve aşağıda gösterildiği
gibidir. η=
𝑃𝑤
𝑃𝑠
η=verim, Pw =su gücü ve Ps=şaft gücü Pw=(Q x H)/3690 . Burada Q su akışı
miktarı ki GPM(Galon Per Minute )le ve H kafa uzunluğu ki feet birimiyle gösteriliyor. Her
galon 4,55 litre ve her feet 0.304 metredir. Önceki hesaplamalarımıza göre pompa kafa
uzunluğu 28 metre ve dakika başı su ihtiyacımız 900 litredir. Birimleri çevirdikten sonra
kafa uzunluğu 92 feet ve dakika başı ihtiyaç duyulan su miktarı 198 galondur. Elde
𝑃𝑤
ettiklerimizle :Pw=(Q x H)/3690= (198 x 92)/3690=4,93 hp η=
𝑃𝑠
=
4,93
5,4
=0,91 dir.
Hesaplamalardan elde ettiğimiz gibi pompa verimi %91 dir ki iyi bir verim sayılır [16].
63
6.14. Su Deposu Tasarımı
İlk baştan belirlediğimiz gibi hem verimi artırmak için ve hem zaman tasarrufu yapmak için
su deposu kullanacağız. Tarlamızı ve bitkimizi sulamak için bizim her iki günde bir 10
saatlik sulamaya ve her saat başı 54 m3 suya ihtiyacımız var, Ankara gibi bir bölge bu kadar
güneşleme saati a günlerde bulunur ve tabi ki güneş şiddeti günün başlangıç ve son
saatlerinde daha azdır. Bu süreyi azaltmak için su deposu kullanıyoruz ve sulama
yapmadığımız gün sistemi çalıştırıp ve depoyu dolduruyoruz ve 54 m3lik ihtiyaç
duyduğumuz suyun 27 m3 sini depo ve gerisini pv sistem temin ediyor. Eğer her türlü
ihtimale karşı depo boyutlarını biraz büyük farz edersek ve 30 m3 lük bir havuz tasarlamak
istersek havuzumuzun boyutları 6x5x1 olacak ve su yüksekliği en fazla 2 metre olduğu
zaman sistem kapanacak. Su deposunun bir giriş vanası var ve giriş su miktarını istediğimiz
zaman ayarlayabiliriz ve bir çıkış vanamız var. Tanka giriş sinyali pompadan çıkan su akışı
sinyalidir ki giriş vanasıyla kontrol edilebilir. Çıkış akış miktarı çıkış vanasıyla kontrol edilir
ki bu miktar depodaki su miktarına bağlı ki eğer çok olursa hız artıyor ve su az olduğu zaman
hız düşüyor. Bu sistemi tasarlamaktan amaç su seviyesini belirli bir düzeyde tutmaktır ve
eğer su istediğimiz zaman bazında fazla veya eksik olursa sistemi açıp , kapatabiliriz. Tank
simülasyonda aşağıdaki blok gibi gösterilmektedir.
Şekil 6.18. Su tankı simülasyonu
Bu blok bulanık mantıkla tanka kontrol sistemi tasarlamak konusunda bize yardımcı olabilir.
Tankın bulanık kontrolün de kullanılan kontrollerin simülasyonu aşağıda gösterilmektedir.
64
Şekil 6.19. Su tankı’nın bulanık kontrolün de kullanlan kontrolerin simulinki
Bulanık kontrollerin girişleri tank su seviyesinde hata miktarı ve tank su seviyesinde
değişim oranıdır. Bu iki girişleri kullanarak bulanık kontroller vanayı kontrol
ediyor.Tasarlanan su seviyesi sabit bir rakamla gösterilmektedir. Tank parametreleri aşağıda
gösterilmektedir.
Şekil 6.20. Su tankı’nın Matlab’da parametre ayar pencereleri
Fuzzy kontrol sistemini tasarlamak için Matlab’ da FIS editörden yararlanarak yeni bir fuzzy
sistem geliştiriyoruz. Tasarladığımız bulanık sistem aşağıda gösterildiği gibidir.
65
Şekil 6.21. Su tankı’nın bulanık mantıklı kontrolerin tasarım penceresi
Bu sisteme kullanılan üyelik fonksiyonların her giriş ve her çıkış için tanımlanmaya gereği
var. Her birisi için gereken fonksiyonla aşağıdaki şekillerde gösterilmektedir. Vana çıkışı 0
la 1 arası olduğu ürece kadar error girişi -1 ve 1 arası ve rate girişi -0,1 le 0,1 olması
gerekiyor.
Şekil 6.22. Su tankı’nın bulanık mantıklı kontrolerin seviye , üyelik fonksiyonu belirleme
66
Error girişi için üç üyelik fonksiyonu var, negatife, Okay ve pozitife. Negatife fonksiyon
trapoizdal üyelik fonksiyonu var ve [-1,27 -1,13 -0,8 0] parametrelere sahiptir. Okay üyelik
fonksiyonu üçgendir ve [-0,6667 0 0,6667] parametrelere sahiptir. Pozitife fonksiyon
trapoizdal üyelik fonksiyonu var ve [0 0,8 1,11 1,77] parametrelere sahiptir.
Şekil 6.23. Su tankı’nın bulanık mantıklı kontrolerin akış , üyelik fonksiyonu belirleme
Rate girişi için üç üyelik fonksiyonu var, negatife, none ve pozitife. Negatife fonksiyon
trapoizdal üyelik fonksiyonu var ve [-0,172 -0,11 -0,06 0] parametrelere sahiptir. None
üyelik fonksiyonu üçgendir ve [-0,07067 0 0,07067]. Parametrelere sahiptir. Pozitife
fonksiyon trapoizdal üyelik fonksiyonu var ve [-0,07067 0 0,07067] parametrelere sahiptir.
67
Şekil 6.24. Su tankı’nın bulanık mantıklı kontrolerin vana ,üyelik fonksiyonu belirleme
Çıkış vanası için 5 çıkış üyelik fonksiyonu var, close_fast, close_slow, no_change,
open_slow, and open_fast. Hepsi üçgen fonksiyon ve aşağıda gelen parametrelere sahiptiler:
close_fast:[-1 -0,9 -0,8] ,close_slow: [-0,6 -0,5 -0,4],no_change: [-0,1 0 0,1], open_slow:
[0,4 0,5 0,6],open_fast:[0,8 0,9 1] .Şimdi tanımladığımız tüm giriş ve çıkış fonksiyonlarılar
kural tabanımızı oluşturabiliriz. Tanımladığımız kurallar aşağıda gösterilmektedir. Şimdi
sistem hazır ve simülasyonu yapabiliriz.
Şekil 6.25. Su tankı’nın bulanık mantıklı kontrolerin rule belirleme penceresi
68
Şekil 6.26. Su tankı’nın çıkış sinyali
Sistem çalışmaya başlarken ve giriş vanası 1 konumuna geldikten sonra depo dolmaya
başlıyor ve su yüksekliği 1 metre olduktan sonra bulanık kontroller vanayı kapatıyor [26].
6.15. Simülasyon ve Dalga şekilleri
Tüm hesaplamaları ve tasarımları yaptıktan sonra şimdi sıra simülasyon ve dalga şekilleri
ve sonuçları elde etmektedir. Sistemin genel şeması aşağıdaki gibidir.
Şekil 6.27. Tasarlanan PV sistemein genel simolasyonu
69
Şekil 6.28. Yükselten dönüştürücünün simulasyonun esnsında doluluk oranı değişimi
Şekil 6.29. Güneş panellerinden yükselten çevirici’ye gelen gerilim
Şekil 6.30. Güneş panelleri trafından devreye teslim edilen güç
70
Şekil 6.31. Asenkron motorun rotor hızı
Şekil 6.32. Asenkron motorun elektromekanik torqu
Şekil 6.33. Asenkron motorun temin ettiği mekenik güç
71
Şekil 6.34. Asenkron motorun stator akımı
Şekil 6.35. Santrifuj pompanın temin ettiği su basıncı
Şekil 6.36. Santrifuj pompanın temin ettiği su debisi
72
73
7. SONUÇ
Bu tez çalışmasında, güneş enerjisinin nasıl güneş panelleri yardımıyla elektrik enerjisine
çevrildiği ve tarımsal sulamada kullanıldığı incelenmiştir. Bu tezde tüm hesaplama ve
tasarlamalara yön veren kullandığımız su miktarıdır .Gereken su miktarını hesaplamak için
önemli parametreler toprak kalitesi, bölgede yere düşen yağış miktarı ve bitki türüdür. Su
miktarını belirledikten sonra uygun pompamızı seçmek için pompa ve eğrimine dikkat
etmek gerekiyor ki normalde piyasadaki pompalarının kataloğun da verilmiştir. Pompamızı
çalıştırmak için ve gereken mekanik enerjisini sağlamak için üç fazlı asenkron motor
kullanıyoruz. Asenkron motoru çalıştırmak için üç fazlı enerji ’ye ihtiyacımız var, bu miktar
enerjiyi temin etmek için güneş panellerine ihtiyacımız var, ama 400 voltluk AC bir gerilimi
sadece güneş panellerile elde etmek çok masraflı bir iş çünkü panel sayısı çok artıyor.Bu
sebeple gereken gücü elde ettikten sonra DC gerilimi boost dönüştürücüyle yükseltiyoruz ve
174 voltluk gerilimi boost dönüştürücü vasıtasıyla 400 voltluk DC gerilime çeviriyoruz.
Motorun çalışması için gerekli olan üç fazlı enerjiyi sağlamak için evirici kullanıyoruz. Gün
içinde hava koşulları değişiminden ve güneş ışını açısı değişiminden dolayı güneş ışının
şiddeti değişiyor, bu yüzden maksimum gücü elde etmek ve enerji kaybını azaltmak için
maksimum güç noktası takip sistemi kullanılıyor.Simülasyonu yaparken t=0 den t=0,05
saniye ‘e kadar boost ve VSC dönüştürücünün sinyalleri bloke edilmişti. PV voltajı açık
devre voltajına bağlıdır. Üç seviyeli köprü, doğrultucu diyot olarak çalışıyor ve kapasitörler
410 Volta kadar şarj ediliyor.T=0,05 saniye ’de, Boost ve VSC çeviriciler sinyalleri de-bloke
oluyorlar. DC bağlantılar voltajı Vdc=409 volt olarak regle oluyor. Boost çeviricide duty
cycle sabittir ve D= 0,5 dır salınım ölçerde göründüğü gibi ve güneş ışını da 1000 W/m2 ye
ayarlanıyor. Kararlı durum t=0,25 Saniye’de elde ediliyor. Bunlardan dolayı sonuçta PV
voltajı V_PV = (1-D)*Vdc= (1-0,5)*410=225 V ki bu sonuçlar yükselten salınım ölçerde
gösterilmiştir. Güneş ışının şiddeti 1000W/m2 olduğu zaman maksimum güç Pmean skobunda
göründüğü gibi 7,25 kw olduğu yerde PV ünitesinin çıkış gücü 6,25 kwtır. t=0,25 saniye ye
kadar kararsızlık tüm sisteme yansıyor ve motor hem de pompanı çalışmasını ve su basıncı
ve su debisini etkiliyor.
74
75
KAYNAKLAR
1. İnternet:Türkiye Elektrik İşleri Etüt İdaresi Genel Müdürlüğü.Yenilelebilir Enerji
Kaynakları.
URL:
http://www.webcitation.org/query?url=http%3A%2F%2Fwww.eie.gov.tr%2Feieweb%
2Fturkce%2FYEK%2Fruzgar%2Fruzgar_en_hak.html.&date=2015-11-11. Son Erişim
Tarihi:11.11.2015
2. Mohan, N., Undeland, T., Robbins, P. (2003). Power Electronics. Hoboken, John Wiley
& Sons, Inc. ISBN 0-471-42908-2.
3. Bailey, B. (1911). The Induction Motor. McGraw-Hill.
4.
Nelson, C., Williams, J. (1986). Boost Converter Operation. LT1070 Design Manual.
5. İnternet:Tripp
Lite:
Power
Inverter
FAQ
URL:
http://www.webcitation.org/query?url=http%3A%2F%2Fwww.tripplite.com%2Fsuppo
rt%2Finverter-faq.+&date=2015-11-11. Son Erişim Tarihi:11.11.2015
6. Barnes, M. (2003). Practical variable speed drives and power electronics. Oxford,
Newnes. 97. ISBN 0080473911.
7. Alger, P. (1949). Induction Machines. sub-section of Sec. Alternating-Current
Generators and Motors. In Knowlton, Standard Handbook for Electrical Engineers (8th
ed.). McGraw-Hill.705.
8. İnternet:
Charles
Sturt
University
AC
Motors.
URL:
http://www.webcitation.org/query?url=http%3A%2F%2F%3Ahttp%3A%2F%2Fhsc.cs
u.edu.au%2Fphysics%2Fcore%2Fmotors%2F2698%2FPhy935net.htm.+&date=201511-11. Son Erişim Tarihi:11.11.2015
9. Klooster, W. (30 July 2009). Icons of Invention the Makers of the Modern World from
Gutenberg to Gates. Santa Barbara: ABC-CLIO. 305. ISBN 978-0-313-34744-3.
10. Electric Motors Reference Center by Machine Design magazine. (2014). Induction
Motors. Penton Media, Inc.
11. Ferraris, G.(1885). Electromagnetic Rotation with an Alternating Current. Electrican
360–375.
12. Stephen, H. (2011). Alternating Current Fundamentals (8th ed.). US, Cengage
Learning. 529–536. ISBN 1-111-03913-5
13. Shepard,G. (1956). Principles of Turbomachinery. McMillan. ISBN 0-471-85546-4.
LCCN 56002849.
14. Reti, L., Di Giorgio, M. ( 1963). Francesco di Giorgio (Armani) Martini's Treatise on
Engineering and Its Plagiarists. Technology and Culture ,4 (3), 287–298 (290).
15. Larry, A. (2003). Know and understand centrifugal pumps. Elsevier Ltd. ISBN
1856174093.
76
16. Masters, G. (2004). Renewable and efficient electric power systems 1st Edition, John
Wiley & Sons, Inc., New Jersey, 391-398, 410-428, 355-375.
17. Villalva, M., Gazoli, J., Ruppert, E. (2009). Modeling and circuit-based simulation of
photovoltaic arrays, Brazilian Journal Of Power Electronics: 35-45.
18. İnternet: National Science Foundation, Photovoltaic Education Network, URL:
http://www.webcitation.org/query?url=http%3A%2F%2Fwww.pveducation.org%2Fpv
cdrom.&date=2015-11-11. Son Erişim Tarihi:11.11.2015
19. İnternet: Türkiye Meteroloji genel Müdürlüü, Resmi İstatistikler URL:
http://www.webcitation.org/query?url=http%3A%2F%2Fwww.mgm.gov.tr%2Fverideg
erlendirme%2Fil-ve-ilceler-istatistik.aspx%23sfU&date=2015-11-11 . Son Erişim
Tarihi:11.11.2015
20. İnternet: Ankara Üniversitesi Ziraat Fakultesi, Sulama Suyu İhtiyacı URL:
http://www.webcitation.org/query?url=http%3A%2F%2Fwww.agri.ankara.edu.tr%2Fir
rigation%2F1024__sulama_suyu_ihtiyaci.ppt.&date=2015-11-11.
Son
Erişim
Tarhi:11.11.2015
21. İnternet: Elektrik Mühendisleri Odası, Solar PV Temel Egitimi URL:
http://www.webcitation.org/query?url=http%3A%2F%2Fwww.emo.org.tr%2Fekler%2
F8d4a0d9ffc42418_ek.pdf%3Ftipi%3D2%26turu%3DX&date=2015-11-11.
Son
Erişim Tarihi: 2015-11-11
22. Esram, T., Chapman, P. (2007). Comparison of Photovoltaic Array Maximum Power
Point Tracking Techniques. IEEE trans. on Energy Conv.
23. İnternet: How to Choose an Inverter for an Independent Energy System, URL:
http://www.webcitation.org/query?url=http%3A%2F%2Fwww.solarelectric.com%2Flib%2Fwind-sun%2FPump-Inverter.pdf.&date=2015-11-11.
Son
Erişim Tarihi: 11.11.2015
24. İnternet:
Mathworks,
Water
Level
Contol
in
a
Tank,
URL:
http://www.webcitation.org/query?url=http%3A%2F%2Fwww.mathworks.com%2Fhel
p%2Ffuzzy%2Fexamples%2Fwater-level-control-in-a-tank.html&date=2015-11-11..
Son Erişim Tarihi: 2015-11-11.
77
EKLER
78
EK-1. SunPower SPR-305-WHT’nin katalogu
79
EK-1. (Devamı) SunPower SPR-305-WHT’nin katalogu
80
ÖZGEÇMİŞ
Kişisel Bilgiler
Soyadı, adı
: PARHIZKAR, Hamid
Uyruğu
: IRAN
Doğum tarihi ve yeri
: 01.02.1982, Khoy
Medeni hali
: Bekâr
Telefon
: 0538 898 4400
Faks
: 0 (312) 394 07 88
e-mail
: h.parhizkar@yahoo.com.tr
Eğitim
Derece
Eğitim Birimi
Mezuniyet tarihi
Yüksek lisans
Gazi Üniversitesi/Elektrik-Elektronik Müh.
2015
Lisans
Najafabad Azad Üniversitesi/ Elektronik Müh. 2006
Lise
Khoy Emam Khomeini
1999
İş Deneyimi
Yıl
Yer
2013-Halen
Medikal Sistemler
Yabancı Dil
İngilizce,Farsça
Yayınlar
-
Hobiler
Spor, Müzik, Kitap okumak
Görev
Servis Mühendisi
81
GAZİ GELECEKTİR...
GAZİ GELECEKTİR...
Download