KONUTLAR İÇİN, YAKIT HÜCRESİ VE GÜNEŞ PİLLERİ

iv
KONUTLAR İÇİN, YAKIT HÜCRESİ VE GÜNEŞ PİLLERİ
KULLANAN, ŞEBEKEDEN BAĞIMSIZ BİR GÜÇ SİSTEMİNİN
TASARIMI VE MODELLEMESİ
Şerife ÇAMCI
YÜKSEK LİSANS TEZİ
ELEKTRİK ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ
GAZİ ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
Ekim 2007
ANKARA
ii
Şerife ÇAMCI tarafından hazırlanan KONUTLAR İÇİN, YAKIT HÜCRESİ VE
GÜNEŞ
PİLLERİ
KULLANAN,
ŞEBEKEDEN
BAĞIMSIZ
BİR
GÜÇ
SİSTEMİNİN TASARIMI VE MODELLEMESİ adlı bu tezin Yüksek Lisans Tezi
olarak uygun olduğunu onaylarım.
Yrd. Doç. Dr. M. Timur AYDEMİR
………………………………
Tez Danışmanı, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı
Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği ile Elektrik-Elektronik Anabilim Dalında
Yüksek Lisans tezi olarak kabul edilmiştir.
Prof. Dr. İres İSKENDER
……………………………….
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı, Gazi Üniversitesi
Yrd. Doç. Dr. M. Timur AYDEMİR
……………………………….
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı, Gazi Üniversitesi
Doç. Dr. Atilla BIYIKOĞLU
……………………………….
Makina Mühendisliği Anabilim Dalı, Gazi Üniversitesi
Tarih:30/10/2007
Bu tez ile G.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Yüksek Lisans derecesini
onamıştır.
Prof. Dr. Nermin ERTAN
Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü
……………………………….
iii
TEZ BİLDİRİMİ
Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde
edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu
çalışmada orijinal olmayan her türlü kaynağa eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm.
Şerife ÇAMCI
iv
KONUTLAR İÇİN, YAKIT HÜCRESİ VE GÜNEŞ PİLLERİ KULLANAN,
ŞEBEKEDEN BAĞIMSIZ BİR GÜÇ SİSTEMİNİN TASARIMI VE
MODELLEMESİ
(Yüksek Lisans Tezi)
Şerife ÇAMCI
GAZİ ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
Ekim 2007
ÖZET
Dünyada giderek artan enerji talebi ve artan çevre sorunları, insanlığı temiz
enerjiler üzerinde daha yoğun araştırmalar yapmaya zorlamaktadır. Enerji
problemine çözüm olarak; yenilenebilir enerji kaynakları olarak adlandırılan
güneş, rüzgar, yakıt hücresi, gelgit, jeo-termal yakıt sistemleri v.b. üzerine
çalışmalar yoğunlaşarak devam etmektedir. Bu tez çalışmasında, ortalama bir
konutun enerji gereksinimini karşılamak için güneş enerjisinden yararlanan,
enerjiyi bataryalar ve hidrojen aracılığıyla depolayan, hidrojeni gerek
duyulduğunda
yakıt hücresi ile yakarak elektrik üreten bir güç sistemi
incelenmiştir. Çalışmada, güç gereksiniminden yola çıkarak bu sistemin
bileşenlerinin seçimi yapıldıktan sonra her bir bileşenin modeli üzerinde
durulmuş, tüm sistemin modeli oluşturulduktan sonra da öngörülen denetim
sistemi bu model üzerinde denemek için değişik koşullarda benzetim çalışmaları
yapılmıştır. Benzetim sonuçları, bu tür bir sistemin konut enerji gereksinimini
karşılamak için kullanılabileceğini göstermektedir.
Bilim Kodu
: 905.1.038
Anahtar Kelimeler : Yakıt hücresi, şebekeden bağımsız enerji, fotovoltaik pil
Sayfa Adedi
: 106
Tez Yöneticisi
: Yrd. Doç. Dr. M. Timur AYDEMİR
v
DESIGN AND MODELLING OF A STAND ALONE POWER SYSTEM FOR
RESIDENTIAL PURPOSES UTILIZING FULE CELLS AND
PHOTOVOLTAIC PANELS
(M.Sc.Thesis)
Şerife ÇAMCI
GAZİ UNIVERSITY
INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
October 2007
ABSTRACT
Increasing energy demand and environmental problems are forcing researchers
and scientists for new forms of renewable energy sources. Solar power, wind
power, fuel cells, tidal power and geothermal power are among the renewable
energy sources that attract the most attention. A stand alone power system to
supply the necessary energy for an average house is investigated in this thesis.
The system uses photovoltaic power as the primary source of energy, stores the
extra energy in electrochemical batteries as well as in hydrogen, burns the
hydrogen when needed in a fuel cell to generate electricity again. First,
components of this system were determined based on the power and energy
demands. Then each component was modeled and the complete system model
was obtained. Finally, a control algorithm was developed and tested for various
operating conditions. Simulation results show the system can be used to supply
energy for houses.
Science Code : 905.1.038
Key Words : Fuel cell, stand alone energy, photovoltaic cell
Page Number : 106
Adviser
: Assist. Prof. Dr. M. Timur AYDEMİR
vi
TEŞEKKÜR
Çalışmalarım boyunca değerli yardım ve katkılarıyla beni yönlendiren hocam Yrd.
Doç. Dr. M. Timur AYDEMİR’e, yardımlarını esirgemeyen Yük. Müh. Ahmet
Devrim ERDOĞAN’a, deneysel çalışmalarım için olanaklarını kullanmama izin
veren Gazi Üniversitesi Temiz Enerji Araştırma ve Uygulama Merkezi’ne, her
konuda destek aldığım çalışma arkadaşlarıma ve manevi desteğini esirgemeyen eşim
Çağdaş ÇAMCI’ya teşekkürü bir borç bilirim.
Ayrıca bu çalışmada emeği geçen herkese sonsuz teşekkür ederim.
vii
İÇİNDEKİLER
Sayfa
ÖZET.....…………………….……………………………… ……………... .............iv
ABSTRACT……………………………………………………………………......…v
TEŞEKKÜR…………………………………………………………….………..…..vi
İÇİNDEKİLER……………………………………… …… … .. ……….....…….….vii
ÇİZELGELERİN LİSTESİ……………………………………………….…….……ix
ŞEKİLLERİN LİSTESİ……………………………………………………….....…...x
RESİMLERİN LİSTESİ………………………………………… ……………........xiii
SİMGELER VE KISALTMALAR………………………………………………... xiv
1.GİRİŞ…………………………………………………….…………………......…..1
2. KAVRAMSAL BİLGİLER………………………………………………… ….....4
2.1. Şebekeden Bağımsız Enerji Sistemleri...………………………………....…...4
2.1.1. Şebekeden bağımsız enerji sistemlerini oluşturan ana üniteler...........….8
2.2. Güneş Enerjisi ve Fotovoltaik Piller……………………………………...…...9
2.2.1. Fotovoltaik (FV) piller …………………………………….……....….10
2.2.2. FV pillerin yapısı ve çalışma prensibi………………………… ......….12
2.2.3. FV pilin eşdeğer devre modeli……………………………………..….13
2.2.4. FV güneş pili akım gerilim I-V karakteristikleri…… ………………...14
2.2.5. Maksimum güç noktası izleyici (MGNİ) devreleri………….….….….19
2.2.6. FV üreteçler (pil, modül, panel)……………..……………………..….23
2.3. Hidrojen Enerjisi ve Yakıt Hücreleri………………………………. …….….26
2.3.1. Hidrojen enerjisi……………………………………………..….….….26
2.3.2. Yakıt hücreleri………………………………………. ……… ………..27
2.3.3. PEM yakıt hücreleri ve eşdeğer devre modelinin çıkarılması….. ...….33
2.4. Sistemde Kullanılan Güç Elektroniği Devreleri……………………… …..….37
viii
Sayfa
2.4.1. DA-DA yükseltici (boost) çeviriciler………….… …………..…..…....37
2.4.2. DA-DA düşüren senkron (senkron buck) dönüştürücü……..………..39
2.4.3. DA-AA dönüştürücü (evirici).......................................................41
2.5. Enerji Depolama Sistemleri………………………....……………………….44
2.5.1. Akü sistemleri................................... .....................................................44
2.5.2. Hidrojen ile enerji depolama sistemleri………………………….…..47
2.6. Denetleyiciler……………………………………………………...…….…..53
2.6.1. Şarj denetleyicisi ve şarj kontrolü tasarımı…………………….……..53
3. SİSTEMİN TASARIMI, MODELLEMESİ VE BENZETİMİ……...…. ……….55
3.1. Şebekeden Bağımsız Güneş-Hidrojen Hibrit Sistemin Genel Modeli…...….55
3.2. Tasarımın Ankara’da Uygulanabilirliği……………………………………...56
3.3. Sistemin Tasarımı İçin Gerekli Güç İhtiyacının Tespit Edilmesi………...….57
3.3.1. Batarya hesapları...………………………………………..…... …..….58
3.3.2. Sistemde kullanılacak FV panel özelliklerinin seçimi………………...60
3.3.3. Seçilen FV modülün I-V karakteristiğinin elde edilmesi …… ………..61
3.3.4. Yakıt pilinin I-V karakteristiğinin elde edilmesi…...………… …...….65
3.4. Denetleyici Tasarımı………………………………………………..……..…67
3.5. Sistemin Çalışma Kiplerinin Belirlenmesi ve Benzetim Sonuçları …...…….69
4. SONUÇ...…………………………………………… …… ……………………...84
KAYNAKLAR……………………………………………………………..… …….86
EKLER…………………………………… ………………………………………...89
EK-1 OST-85 monokristal güneş paneli.… ………………………………..……….90
EK-2 Ballard Nexa 1.2kW yakıt pili...…… ………………………………..……….92
EK-3 EK-3 Benzetimde kullanılan MATLAB-SIMULINK modelleri….………….95
EK-4 FV modül ölçüm sonuçları…………………………………………………..100
ÖZGEÇMİŞ…………………………………………..……………………………106
ix
ÇİZELGELERİN LİSTESİ
Çizelge
Sayfa
Çizelge 2.1. Yakıt hücresi çeşitlerinin karşılaştırılması………..…………...….…....31
Çizelge 2.2. PEM yakıt hücresinin eşdeğer devre modelinin elde edilmek
için kullanılan deneysel sonuçlar………………. …………….…..…....34
Çizelge 2.3. Denetleyicinin kontrol adımlarının özeti…………….…….……..…....54
Çizelge 3.1. Türkiye'nin yıllık güneş potansiyelinin bölgelere göre dağılımı ………57
Çizelge 3.2. Sistemin tasarımı için gerekli güç ihtiyacı……………………………..58
Çizelge 3.3. OST 85 monokristal silikon FV pilin teknik özellikleri…..……...…....60
Çizelge 3.4. Ballard Nexa 1.2 kW yakıt pilinin teknik özellikleri…………..……....63
Çizelge 3.5. Yakıt pilinin ölçülen akım-gerilim değerleri……… …………………..63
Çizelge 3.6. Sistemin incelenecek olan çalışma modları…………………..…..…....67
x
ŞEKİLLERİN LİSTESİ
Şekil
Sayfa
Şekil 2.1. Bir şebekeden bağımsız sistemle enerjisini karşılayan konut modeli ……..8
Şekil 2.2. Şebekeden bağımsız FV-yakıt hücresi sisteminin blok diyagramı…...……9
Şekil 2.3. Güneş enerjisinin kullanım alanları… ……………………………………10
Şekil 2.4. Fotovoltaik pil……………………………………………….………...….11
Şekil 2.5. Fotovoltaik pilin yapısı… ………………………………………………...12
Şekil 2.6. İdeal güneş pili eşdeğer devre modeli…………………… ……… ………..13
Şekil 2.7. FV pil panelinin doğrudan ayarlanabilen bir yüke bağlanması…………..15
Şekil 2.8. FV pil panelin akım-gerilim (I-V) karakteristiğinin yükle değişimi ……..15
Şekil 2.9. FV pilin I-V ve P-V karakteristikleri……………………………………..16
Şekil 2.10. Çevresel ışık şiddetinin ve pilin sıcaklılığının I-V
karakteristiğine olan etkisi …………………………...………….………18
Şekil 2.11. MPPT devresinin genel blok diyagramı…………… …………………...19
Şekil 2.12. Değiştir ve gözlemle metodu ile MPPT’nin kontrol akış şeması… ...…..22
Şekil 2.13. FV jeneratör çeşitleri……… …………………………………………....23
Şekil 2.14. Seri (a) ve paralel (b) bağlanmış eşdeğer hücreler……………… ….…..24
Şekil 2.15. Yakıt hücresinin yapısı………………… ……………………………….28
Şekil 2.16. Bir yakıt pillinin çalışma şekli…………………………………………..29
Şekil.2.17. PEM Yakıt hücresinin DA eşdeğer devre modeli…………………...…..34
Şekil 2.18. PEM yakıt hücrelerinin I-V karakteristiği………… ……………………36
Şekil 2.19. FC’nin 0.1Hz -10 KHz aralığındaki genlik ve faz değişimleri………….36
Şekil 2.20. PEM yakıt hücresinin eşdeğer devre modeli…… ……………….….…..37
Şekil 2.21. Yükseltici dönüştürücü devresi……….…………..………………..….…..38
Şekil 2.22. Yükseltici çevirici (a) açık, (b) kapalı periyodu……………………………38
xi
Şekil
Sayfa
Şekil 2.23. Senkron Buck dönüştürücü devresi………………………….………......40
Şekil 2.24. Senkron Buck dönüştürücünün dalga şekilleri……………………..........40
Şekil 2.25. Tek faz köprü eviricinin devre çizimi……………………………………..42
Şekil 2.26. Tek faz köprü evirici dalga şekilleri………………………………..….…...43
Şekil 2.27. Eviricinin yüksek endüktif yük altındaki çıkış akımı……………….…....... 43
Şekil 2.28. Akü basit modeli…………… …………………………… ……………….45
Şekil 2.29. Bir elektroliz hücresinde akım ve elektronların yönü………………...…51
Şekil 2.30. Elektroliz devresinin I-V karakteristiği……… …… …………………...53
Şekil 2.31. Aşırı şarj korumasının çalışma prensibi…………… …………………...53
Şekil 2.32. Aşırı deşarj korumasının çalışma prensibi…………………………....…54
Şekil 3.1. Şebekeden bağımsız güneş-hidrojen hibrit enerji sisteminin blok
şeması………………………………………………………………......…55
Şekil 3.2. Dünya yıllık güneşleme potansiyeli haritası...………………………....…56
Şekil 3.3. Sistemde kullanılan OST 85 Monokristal FV panel…………………...…61
Şekil 3.4. Güneş ışınlarının geliş açısının sehpa eğimi ile ilişkisi…………………..62
Şekil 3.5. Panel I-V karakteristiğinin zamanla değişimi (530 için)………………….63
Şekil 3.6. Panel I-V karakteristiğinin zamanla değişimi (420 için)………………….63
Şekil 3.7. Panel I-V karakteristiğinin zamanla değişimi (230 için)………………….63
Şekil 3.8. 24 adet OST-85 FV panelin I-V karakteristiği……… ………………...…62
Şekil 3.9. Yakıt pilinin I-V karakteristiği…....……………………………… ……...66
Şekil 3.10. Yakıt pilinin I-V karakteristiğinin eğri uydurma metodu ile çözümü …66
Şekil 3.11. Elektroliz sisteminin devreye giriş ve çıkış geçişleri.… ………..…....…68
Şekil 3.12. Yakıt hücresinin devreye giriş ve çıkış geçişleri.…… ……………..…...68
Şekil 3.13. Tasarlanan sistemin SIMULINK ortamındaki modeli…………… ….....69
Şekil 3.14. Sistemin Kip I’deki çalışma durumu… ………………..…..………....…71
xii
Şekil
Sayfa
Şekil 3.15. İlk ışık şiddeti için güneş pili I-V karakteristiği ve güç-gerilim eğrisi…. .72
Şekil 3.16. İkinci ışık şiddeti için (a) güneş pili I-V karakteristiği ve
(b) güç-gerilim eğrisi…. ..…………………………………….....………72
Şekil 3.17. Işık şiddeti değişiminin fotovoltaik panelin çıkış gücüne etkisi………...73
Şekil 3.18. Işık şiddeti değişiminin yakıt hücresi çıkış gücüne etkisi…… …..……..73
Şekil 3.19. Işık şiddeti değişiminin hidrojene etkisi……………………….………..74
Şekil 3.20. Kip I’de bara geriliminin değişimi…………………..……………...…..74
Şekil 3.21. Işık şiddeti değişiminin çıkış (a) akımına (b)gerilimine etkisi………….75
Şekil 3.22. Sistemin Kip II’de yakıt hücresi devreden çıktıktan sonraki durumu…..75
Şekil 3.23. Kip II süresince yakıt hücresinin: (a) Dönüştürücü çıkış akımı,
(b) Yakıt hücresinin çıkış gerilimi, (c) Yakıt hücresinin ürettiği güç…...76
Şekil 3.24. Kip II süresince (a) Bara gerilimi (b) Hidrojen üretim durumu… …..….77
Şekil 3.25. Sistemin kip-III’deki çalışma durumu…….……… ……………..….…..77
Şekil 3.26. Kip III süresince (a) Yükün çektiği akım, (b) Yük gerilimi………….…78
Şekil 3.27. Kip III süresince (a) Hidrojen üretimi durumu, (b) Elektroliz
devresinin harcadığı güç…………………..…………………………….78
Şekil 3.28. Kip III süresince (a) Bara gerilimi, (b) Yakıt hücresinin ürettiği akım…79
Şekil 3.29. Sistemin kip IV sonundaki çalışma durumu……….……………………79
Şekil 3.30. Kip IV süresince (a) Yükün çektiği akım, (b) Yük gerilimi…………….80
Şekil 3.31. Kip IV süresince (a) Elektroliz devresinin harcadığı güç,
(b) Hidrojen üretimi durumu……………...…………………….……….80
Şekil 3.32. Kip IV süresince (a) Bara gerilimi, (b) Yakıt hücresinin ürettiği akım…81
Şekil 3.33. Sistemin kip V’deki çalışma durumu….………………………... ……….82
Şekil 3.34. Kip V süresince (a) Bara gerilimi, (b) Yakıt hücresinin ürettiği akım,
(c) Hidrojenin üretilme durumu…..……………………………....……..82
Şekil 3.35. Kip V süresince yakıt hücresinin (a) akımı, (b) gerilimi, (c) gücü…...…83
Şekil 3.36. Kip V süresince bara gerilimi………… …………………………...……83
xiii
RESİMLERİN LİSTESİ
Resim
Sayfa
Resim 2.1. Gazi Üniversitesi Temiz Enerji Araştırma ve Uygulama Merkezi
gezici laboratuarının resimleri (a) genel görünüm, (b) iç görünüm………7
Resim 2.2. Fotovoltaik pil……………………………………………………….…..24
Resim 2.3. FV pil modülü……………………………………………………….…..25
Resim 2.3. FV güneş paneli………………………… ...…… ……….…………………26
Resim 2.5. Bir PEM tipi yakıt pili (Ballard Nexa 1.2kW)…………………………..33
xiv
SİMGELER VE KISALTMALAR
Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte
aşağıda sunulmuştur.
Simgeler
Açıklama
A
Eğri uydurma faktörü
DoD
İstenen ömür için izin verilen maksimum deşarj derinliği
e
Elektron yükü (1.6021917 x 10" 9 C)
Eakü
Deşarj başına aküden istenen enerji
FF
Doluluk faktörü
GA
Işık şiddeti
H+
Hidrojen
IFV
Işık seviyesi ve P-N eklemi sıcaklığının fonksiyonu(A)
Io
D diyodunun ters doyma akımı (A)
Ipil
FV pilin çıkış akımı (A)
ISC
Kısa devre akımı
k
Boltzmann sabiti (1380622 x 10" 23 J/°K )
n
Negatif
O2
Oksijen
p
Pozitif
Rs
Eşdeğer devrenin seri direnci (Ohm)
RSH
Eşdeğer devrenin paralel direnci (Ohm)
Tpil
Referans çalışma sıcaklığı (°K)
Ω
Ohm
Vdeşarj
Deşarj süresince ortalama hücre gerilimi
VOC
Açık devre gerilimi
Vpil
FV pilin çıkış gerilimi (V)
ηdeşarj
Deşarj yolunun(diyot, kablo, bobin..) verimi
η
Verim
xv
Kısaltmalar
Açıklama
AA
Alternatif akım
DA
Doğru akım
FV
Fotovoltaik
FC
Yakıt hücresi
I-V
Akım-Gerilim
MGNİ
Maksimum güç noktası izleyici (MPPT)
MCFC
Erimiş karbonatlı yakıt pilli
NASA
Ulusal Havacılık ve Uzay Dairesi
PAFC
Fosforik asit yakıt pilli
PEM
Proton değişim zarlı yakıt pili
PWM
Darbe Genişlik Modülasyonu
P&O
Perturbation and observation: Değiştir ve gözlemle
SOFC
Katı oksit yakıt pilli
VRF
Gerilim regülasyon katsayısı
1
1. GİRİŞ
Nüfus artışına ve insanların refah düzeyinin yükselişine paralel olarak artan enerji
talebi yanında, geleneksel enerji kaynakları arasında önemli bir yer tutan petrolün
tükenmeye yüz tutması, enerji kaynaklarında çeşitliliği artırma çalışmalarının
hızlanmasına neden olmuştur. Öte yandan, yine petrol tabanlı enerji kaynaklarının
yol açtığı kirlenmenin çevre üzerindeki olumsuz etkilerinin ulaştığı boyutun artık net
olarak görülmeye başlanması üzerine, yeni enerji kaynaklarının çevre dostu olma
zorunluluğunu da beraberinde getirmiştir. Temiz ve yenilenebilir enerji kaynakları
arasında da günümüzde ilk sırayı güneş ve rüzgar enerjileri almakta, hidrojen
telmolojileri de geleceğin en önemli aracı olarak algılanmaktadır.
Bu çalışmada, ortalama bir konutun enerji gereksinimini yenilenebilir kaynaklardan
sağlayan, şebekeden bağımsız bir güç sistemi yapısı incelenmektedir. Son yıllarda
incelenmeye başlanan bu ve benzeri sistemlerde, yenilenebilir kaynaklardan alınan
enerji bir yandan yükün gereksinimini karşılamakta, bir yandan da, kaynağın elverişli
olamayacağı zaman dilimleri göz önüne alınarak depolanmaktadır. Depolama
genelde elektrokimyasal bataryalarda yapılmakta olup, bu tür sistemler artık ticari
olarak ulaşılabilir duruma gelmiştir. Özellikle ana şebekenin ulaşamadığı uzak
bölgelerde veya deniz araçlarında bu sistem yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır.
Öte yandan, bataryaların ağırlıkları, ömür sorunları, kimyasal yapılarının neden
olduğu kirlilik sorunları ve kapasitesinin ancak belli bir bölümünün kullanılabilir
olması, farklı bir enerji depolama seçeneğinin araştırılmasına yol açmıştır. Bu
seçeneklerden en önemlisi hidrojen olarak görülmektedir.
Tez kapsamında incelenen sistemde yenilenebilir enerji kaynağı olarak güneş enerjisi
kullanılmaktadır. Güneşten alınan enerji bataryalarda depolanmakta ve bir evirici ile
yüke uygulanmaktadır. Ancak, sistemde depolama kapasitesinin yarısı hidrojene
ayrılmıştır. Güneş enerjisinin gereksinimden fazla olduğu durumlarda, ana
denetleyici elektroliz işlemini başlatmakta, elektroliz yoluyla üretilen hidrojenin
yüksek basınç altında depolanması öngörülmektedir. Güneşten gelen enerjinin
yetersiz kalması durumunda öncelikle bataryalarda depolanan enerji kullanılmakta,
2
ancak batarya gerilimi belli bir düzeyin altına inince yakıt hücreleri devreye girerek
depolanan hidrojeni yakmakta ve elektrik üretmektedir.
İncelenen sistemin bir benzeri Gazi Üniversitesi Temiz Enerji Araştırma ve
Uygulama
Merkezi
(TEMENAR)
tarafından
gezici
bir
laboratuar
olarak
geliştirilmiştir. Bu tezde, söz konusu sistemde kullanılması öngörülen bir denetim
sisteminin yapısı oluşturulmuş ve çeşitli çalışma koşullarında denetim devresinin
davranışı, MATLAB SIMULINK yazılımda kurulan benzetim modeli yardımıyla
incelenmiştir.
Oluşturulan güç sistemi çeşitli dönüştürücüler içermektedir. Güneş panellerinin
çıkışında maksimum çıkış gücünün elde edilmesini sağlayan bir denetleyici
(Maksimum Güç Noktası İzleyici, MGNİ) ile birlikte çalışan, yükselten (boost) tür
bir DA/DA dönüştürücü bulunmaktadır. Elektroliz işlemi için gerekli kaynak, güneş
panellerinin çıkışının düşüren (buck) tür bir DA/DA dönüştürücüye uygulanması ile
elde edilir. Yakıt hücresi devreye girdiği zaman üretilen enerji, yine yükselten tür bir
DA/DA dönüştürücü devresi ile baraya aktarılır. Son olarak, bara gerilimi bir
DA/AA evirici ile yüke uygulanır.
Çalışma, örnek olarak belirlenen bir konutun gereksinimi karşılayacak sistemde
bulunması gereken güneş paneli ihtiyacının ve gerekli batarya büyüklüğünün
hesaplanmasını, denetim sisteminin ana yapısının belirlenmesini ve denetleyicinin
belli çalışma koşullarındaki tepkisinin incelenmesini kapsamaktadır. Benzetim
çalışmalarında kullanılan güneş paneli ve yakıt hücresi modelleri, TEMENAR
laboratuarında bulunan elemanlar üzerinde yapılan deneylerden elde edilmiştir.
Bölüm 2'de şebekeden bağımsız bir sistemin ana üniteleri olan, fotovoltaik piller,
yakıt hücreleri, DA/DA çeviriciler, enerji depolama sistemleri, denetleyiciler,
eviriciler incelenmiş, bu sistemlere ait literatür taraması yapılarak bu sistemlerin
yapısı, çalışma prensibi ve karakteristikleri hakkında genel bilgiler verilmiştir.
Ayrıca PEM yakıt hücresinin eşdeğer devre modeli yine bu bölümde çıkarılmıştır.
3
Bölüm 3’de, güneş enerjisinin Ankara’da kullanılabilirliği incelenmiş, tasarlanacak
şebekeden bağımsız sistem için yükün ihtiyaç duyacağı gücün tespiti yapılmıştır.
Tasarımda kullanılacak FV panelin ve yakıt hücresinin akım-gerilim karakteristiği
laboratuar şartlarında ölçümler yapılarak elde edilmiştir.
3. Bölüm’de, sistemde kullanılacak denetim sistemin yapısı tartışılmış, oluşturulan
denetim sisteminin çeşitli çalışma koşullarındaki davranışı SIMULINK yazılımı
yardımıyla incelenmiştir. Bu benzetim çalışmasında, deneylerle elde edilen panel ve
yakıt hücresi modelleri kullanılmıştır.
Son bölümde ise sonuçların genel değerlendirmesi yapılmıştır.
4
2. KAVRAMSAL BİLGİLER
Bu bölümde şebekeden bağımsız bir hibrit enerji sistemi hakkında bilgi verilerek bu
sistemin ana bileşenleri olan güneş enerjisi, fotovoltaik piller, yakıt hücreleri, MGNİ
tabanlı DA/DA yükseltici çeviriciler, enerji depolama sistemleri, denetleyiciler ve
eviriciler ile ilgili yapılan literatür taramasından elde edilen teorik bilgiler
sunulmaktadır.
2.1. Şebekeden Bağımsız Enerji Sistemleri
Çevre kirliliği problemleri ile ekonomik değerlendirmeler sonucunda ucuz ve temiz
enerji düşüncesi, bu konudaki araştırmaların hızını daha da artırmıştır. Enerji
problemine çözüm düşüncesiyle; yenilenebilir enerji kaynakları olarak adlandırılan,
güneş, rüzgar, yakıt hücresi, gelgit, jeo-termal, fosil atık yakıt sistemleri üzerine
çalışmalar yoğunlaşarak devam etmektedir.
Şebekeden bağımsız (stand-alone, off-grid) enerji sistemleri, özellikle yerleşim
yerlerinden uzak, elektrik şebekesi olmayan yörelerde, jeneratöre yakıt taşımanın zor
ve pahalı olduğu durumlarda belli bir birimin elektrik gereksinimini sağlamak için
kullanılırlar. Bu sistemler genellikle rüzgar veya güneşten alınan enerjiyi elektrik
enerjisine
dönüştürerek,
gereksinim
olduğu
zamanlarda
kullanmak
üzere
bataryalarda depolarlar. Batarya çıkışlarındaki doğru gerilim, eviricilerle 220 V, 50
Hz sinüzoidal gerilime dönüştürülerek yüke uygulanır.
Güneş pilleri, elektrik enerjisinin gerekli olduğu her uygulamada kullanılabilir.
Güneş pili modülleri uygulamaya bağlı olarak, akümülatörler, eviriciler, akü şarj
denetim aygıtları ve çeşitli elektronik destek devreleri ile birlikte kullanılarak bir
güneş pili sistemi (fotovoltaik sistem) oluştururlar. Bu sistemlerin yakıt hücreleri,
dizel jeneratörler ya da başka güç sistemleri ile birlikte hibrit olarak kullanılmaları da
mümkündür.
5
Güneş enerjisi sistemlerinde kullanılan bataryaların kimyasal malzeme içermeleri,
ağırlıklarının ve hacimlerinin fazla olması, enerji depolamak için farklı seçenek
arayışlarına neden olmuştur. Bu seçeneklerden bir tanesi de, geleceğin yakıtı olarak
düşünülen
hidrojendir.
Güneşten
elde
edilen
elektrik
enerjisinin
yükün
gereksiniminden fazla olduğu zamanlarda, bu fazla enerji ile elektroliz yaparak
hidrojen üretmek ve bu hidrojeni depolamak, yükün güç gereksiniminin güneşten
sağlanamadığı anlarda ise bu hidrojeni yakıt hücrelerine yollayarak tekrar elektrik
enerjisi elde etmek, son yıllarda üzerinde yoğun çalışmalar yapılan bir yöntemdir.
Böylece, daha temiz bir enerji elde edilmiş olmaktadır. Ayrıca, bataryaların belli bir
kapasitesinin altına inilmesi batarya ömrünü azaltırken hidrojende böyle bir
sıkıntının olmaması da önemli bir üstünlüktür. Öte yandan hidrojenin güvenli bir
biçimde depolanma gereksinimi ve elektroliz işleminin veriminin düşük olması ciddi
kısıtlamalar getirmektedir.
Şebekeden bağımsız güneş-hidrojen enerji sisteminin dünyada pek çok örneği
bulunmaktadır. Güneş enerjisi kaynaklı hidrojen ekonomisi kuramı ilk olarak 1962
yılında Bockris tarafından ortaya konmuştur. Bockris 1962 yılında Amerikan
şehirlerinin güneş enerjisi kaynaklı hidrojen ile desteklenmesi için plan hazırlamıştır.
Bu plana göre yüzer fotovoltaik paneller oluşturulacak, elektroliz ile deniz suyundan
hidrojen üretilerek boru hatları ile şehirlere nakledilecekti. Japonlar tarafından
PORSHE (Planned Ocean Raft System fort the Hydrogen Economy) olarak
adlandırılan benzer bir kavram 1979 yılında Escher ve Otha tarafından ortaya
konmuştur [1,2,8].
Almanya’da kurulacak olan Mini Solar-Hydrogen Energy System (Nümberg) test
uygulama tesislerinden oluşacaktır. Bu tesis FV piller, elektroliz ünitesi, yakıt pili,
hidrojen depolama ünitesi, hidrojen üretimi, hidrojen yakıt istasyonu ve hidrojenle
çalışan araçlar gibi solar hidrojen enerji sisteminin bütün parçalarını barındıracaktır
[3,8].
Almanya ile Suudi Arabistan arasında hidrojen üretimi için yapılan bir proje olan
HYSOLAR projesi, Suudi Arabistan’daki FV paneller ile elektrik elde edecek ve bu
6
elektrik elektrolizde kullanılarak hidrojen üretilecektir. Üretilen bu hidrojen sıvı
olarak gemilerle Almanya’ya taşınacaktır. Bu proje gelecekte çölde hidrojen
üretilerek Avrupa’da ihraç edilmesinin ekonomik, ticari ve teknolojik olarak uygun
ve dizayn edilebilir olduğunu göstermiştir [4,8].
Gazi Üniversitesi bünyesinde kurulmuş olan Temiz Enerji Araştırma ve Uygulama
Merkezi de (TEMENAR), Güneş-Hidrojen-Elektrik Çevrimi adlı bir proje
kapsamında, ortalama bir konutun enerji gereksinimini karşılayabilecek bir
kapasitede (5 kW-h/gün) gezici bir sistem kurmuştur. Resmi Şekil 2.1’de görülen bu
karavanda, çatıya yerleştirilen 24 adet güneş pilinden gelen elektrik enerjisi iki adet
bataryayı doldurmakta, bu bataryaların çıkışındaki evirici de doğru gerilimi şebeke
gerilimine dönüştürmektedir. Karavanda ayrıca 10 adet hidrojen jeneratörü
bulunmaktadır.
Bu
jeneratörler,
güneş
enerjisinden elde
edilen
elektrikle
çalıştırılabilmekte, jeneratörlerin ürettiği hidrojen, basınç altında Metal Hidrürlü
tüplere sıkıştırılabilmektedir. Bu tüplerdeki hidrojen, gerek duyulduğunda 1.2 kW
gücündeki bir yakıt hücresine (Ballard Nexa) verilmekte ve yakıt hücresinden yine
elektrik enerjisi elde edilmektedir.
Güneş pili sistemlerinin şebekeden bağımsız olarak kullanıldığı tipik uygulama
alanları aşağıda sıralanmıştır:
-
Haberleşme istasyonları, kırsal radyo, telsiz ve telefon sistemleri
-
Petrol boru hatlarının katodik koruması
-
Metal yapıların (köprüler, kuleler vb.) korozyondan koruması
-
Elektrik ve su dağıtım sistemlerinde yapılan telemetrik ölçümler, hava
gözlem istasyonları
-
Bina içi ya da dışı aydınlatma
-
Dağ evleri ya da yerleşim yerlerinden uzaktaki evlerde TV, radyo, buzdolabı
gibi elektrikli aygıtların çalıştırılması
-
Tarımsal sulama ya da ev kullanımı amacıyla su pompalaması
-
Orman gözetleme kuleleri
-
Deniz fenerleri
7
-
İlkyardım, alarm ve güvenlik sistemleri
-
Deprem ve hava gözlem istasyonları
-
İlaç ve aşı soğutma
a)
b)
Resim 2.1. Gazi Üniversitesi Temiz Enerji Araştırma ve Uygulama Merkezi gezici
laboratuarının resimleri a) genel görünüm, b) iç görünüm
8
2.1.1. Şebekeden bağımsız enerji sistemlerini oluşturan ana üniteler
Bir şebekeden bağımsız (stand-alone) FV sistem genel olarak; FV üreteç, depolama
sistemi (batarya, yakıt hücresi…), denetleyici, evirici ve yükten meydana
gelmektedir. Aşağıda şebekeden bağımsız bir güneş pili enerji sisteminin şeması
verilmektedir.
Şekil 2.1. Şebekeden bağımsız bir sistemle enerjisini karşılayan konut modeli [2]
Bu sitemin ana bileşenlerinin blok modelleri Şekil 2.1’de gösterilmiştir. Bu modüler
yapının modellenmesi, diğer sistem yapılarını ve elemanları yerine koymak, AA yük
yerine DA yük koymak gibi kolaylıklar sağlamaktadır [2].
9
Şekil 2.2. Şebekeden bağımsız FV-yakıt hücresi sisteminin blok diyagramı
2.2.Güneş Enerjisi ve Fotovoltaik (FV) Piller
Dünya atmosferinin dışında güneş ışınımının şiddeti, aşağı yukarı sabit ve 1366
W/m2 değerindedir. Ancak atmosfer bu enerjinin %6’sını yansıtır, %16’sını da
sönümler ve böylece deniz seviyesinde ulaşılabilen en yüksek güneş ışınımının
şiddeti 1020 W/m2’dir. Güneş enerjisinin dünyaya gelen küçük bir bölümü dahi,
insanlığın mevcut enerji tüketiminden kat kat fazladır. Güneş enerjisinden
yararlanma konusundaki çalışmalar özellikle 1970'lerden sonra hız kazanmış, güneş
enerjisi sistemleri teknolojik olarak ilerleme ve maliyet bakımından düşme
göstermiş, güneş enerjisi çevresel olarak temiz bir enerji kaynağı olarak kendini
kabul ettirmiştir [5].
Güneş enerjisinden yararlanmak için insanlar tarafından geliştirilen dönüşüm
yöntemleri de bulunmaktadır. Şekil 2.3’de de görüldüğü gibi ısıl dönüşümlerle farklı
şekillerdeki toplaçlarla sıcak su, buhar ve elektrik elde edilmesinde, yarı iletken
aygıtlarla doğrudan elektrik enerjisi elde edilmesinde, su gücü ve rüzgarla mekanik
ve elektrik enerjisi elde edilmesinde, biyokütle ile odun vb. yakma sistemleriyle ısı
10
elde edilmesinde, fosil yakıtlardan ısı ve elektrik elde edilmesinde ve pasif ısıtma ile
de mimari uygulamalar başta olmak üzere çeşitli uygulamalarda güneş enerjisinden
yararlanılmaktadır [6].
Şekil 2.3. Güneş enerjisinin kullanım alanları
2.2.1. Fotovoltaik (FV) piller
Fotovoltaik piller, yüzeylerine gelen güneş ışığını doğrudan elektrik enerjisine
dönüştüren yarıiletken maddelerdir. Şekil 2.4’de görüldüğü gibi yüzeyleri kare,
dikdörtgen, daire şeklinde biçimlendirilen FV pillerin alanları genellikle 100 cm²
civarında, kalınlıkları ise 0,2-0,4 mm arasındadır. FV piller fotovoltaik ilkeye dayalı
olarak çalışırlar; yani üzerlerine ışık düştüğü zaman uçlarında elektrik gerilimi
oluşur. Pilin verdiği elektrik enerjisinin kaynağı, yüzeyine gelen güneş enerjisidir.
Güneş enerjisi, güneş pilinin yapısına bağlı olarak % 5 ile % 20 arasında bir verimle
elektrik enerjisine çevrilebilir [7].
11
Şekil 2.4. Fotovoltaik pil [11]
Gerçek FV piller ve modülleri ile laboratuarda deney yapmak oldukça pahalı ve uzun
zaman gerektiren bir iş olduğu için simülasyon teknikleri geliştirilmiştir. Piyasada bunun
için birçok ticari simülasyon yazılımı mevcuttur. Bunlara örnek olarak; bir fotovoltaik
sistemin performansını simüle edebilen ve modelleyebilen ENERGY-10, PVSIM,
PVCAD, PVFORM ve HYSIM verilebilir. Bu programlar çok pahalı ve özellikle
öğrenciler için çok yaygın olmayan programlardır. Yakın zamanda oldukça
yayılmış olan PSpice ve MATLAB programı da bu simülasyonları yapmak için
kullanılmaya başlanmıştır [14]. Bu çalışmada MATLAB 6.5 versiyonu kullanılmıştır.
2.2.1.1. FV pillerin yapımında kullanılan malzemeler
FV piller ilke olarak bugün elektronik düzeneklerin içerisinde çok kullanılan ve çok
küçük boyutlara sahip olan yarı-iletken diyotların, geniş yüzey alanlara uygulanmış
şeklidir. Kullanılan malzeme, üretim şekilleri ve diyotların çalışma şekilleri,
temelde benzerdir. FV pillerin yapımında dünyada rezervi en çok olan silisyum
(silikon) malzemesi kullanılır. Özellikle kristalli silisyum maddesinden güneş pili
yapımı endüstride çok yaygındır. Silisyumdan yapılan FV piller tek kristalli, çok
kristalli ve amorf silisyum gibi maddelerden yapılır.
12
FV piller pek çok farklı maddeden yararlanarak üretilebilir. Günümüzde en çok
kullanılan maddeler şunlardır [7]: Kristal Silisyum, Galyum Arsenit, Amorf
Silisyum, Kadmiyum Tellürid, Bakır İndiyum Diselenid, Optik Yoğunlaştırıcılı
Hücreler.
2.2.2. FV pillerin yapısı ve çalışma ilkesi
Fotovoltaik piller, algıladıkları foton enerjisinden eşit sayıda pozitif ve negatif yükler
oluşturarak güneş enerjisini doğrudan kullanılabilir yararlı elektrik enerjisine
dönüştüren cihazlardır.
FV piller ince bir n tabakası ve daha kalın bir p tabakasının birleşmesinden
meydana gelmektedir. Bu şekilde yapılmasının nedeni p tabakasının daha kolay
oluşturulması ve malzemenin bol olmasıdır, p ve n tabakalarına bakır iletken
eklenerek dış devre ile bağlantı sağlanır. Oluşturulan bu p-n eklemine güneş ışığı
düştüğünde her iki tabakada elektron-delik çiftleri oluşur. Bu elektron-delik çiftleri
dış devreye akım vererek p-n ekleminin pil gibi çalışmasını sağlamaktadır.
Oluşturulan pozitif ve negatif yükler fotovoltaik ve fotoakım meydana getirmek
üzere ayrıştırılırlar [13].
Şekil 2.5. Fotovoltaik pilin yapısı [7]
13
FV pillerin yapısında oluşan elektron ve delikleri yüke aktarmak için pilin ön
yüzeyinde parmaklar şeklinde iletkenler konur. Bu şekilde yapılmasının nedeni
elektron-delik çiftleri yeniden yapılanarak (recombination) eski durumuna geçebilir.
Bunu engellemek gerekir. Pilin alt yüzeyi ise tamamen iletken ile kaplıdır. Ayrıca
ARC denilen prizmayı önleyici bir yapı da mevcuttur [14].
Bir güneş pili, p-n eklemine ait terminalleri arasına bir yük bağlı bulunduğu sürece
güneş enerjisini çıkışında bir elektrik gücüne dönüştürür. Herhangi bir yük ya da p-n
eklemini dışardan birbirine bağlayan bir yol yoksa elektron akışı gerçekleşemez ve
dolayısıyla fotoakımı üretilemez. Ayrıca eğer çok küçük bir yüke sahipse, ya da p-n
uçları kısa devre edilmişse bu çıkışlar arasındaki potansiyel farkı (fotovoltaik) sıfır,
akan akım (fotoakım) ise maksimum değerinde olur. Klasik doğru akım (DA) güç
kaynaklarının tersine bir FV güneş pilin akım-gerilim ilişkisi doğrusal değildir. Bu
nedenle güneş pili güç kaynakları klasik doğru akım ya da gerilim kaynakları ile
temsil edilmezler.
2.2.3. FV güneş pilinin eşdeğer devre modeli
FV pillerin I-V (Akım - Gerilim) karakteristikleri güneş pili eşdeğer devre modelleri
ile elde edilebilir. Bir ideal güneş pilinin devre modeli Şekil 2.6’da gösterilmiştir.
Görüldüğü gibi ideal model sadece akım ürettiği için bir akım kaynağı, ve p-n
ekleminden oluştuğu için de bir diyot içermektedir.
Şekil 2.6. İdeal güneş pili eşdeğer devre modeli
Şekil 2.6’de verilen devre modeli, FV güneş pilinin genel statik eşdeğer devresidir.
Bu modeldeki parametreler ışık şiddeti ve sıcaklığa bağlıdır. Dolayısıyla
14
hesaplanacak her çıkış değeri için ışık ve sıcaklık seviyelerinin bilinmesi gerekir. Bu
şekilde verilen devre modeli, matematiksel olarak Eş. 2.1 ile temsil edilebilir [15].
⎡ ⎛ e
⎞ ⎤ V pil + Rs × I pil
(
I pil = I FV − I o ⎢exp⎜
V pil + Rs × I pil )⎟ − 1⎥ −
⎟ ⎥
⎜
RSH
⎠ ⎦
⎣⎢ ⎝ kT pil
(2.1)
Burada;
Ipil
: FV pilin çıkış akımı (A)
IFV
: Işık seviyesi ve P-N eklemi sıcaklığının fonksiyonu, fotoakım (A)
Io
: D diyodunun ters doyma akımı (A)
Vpil : FV pilin çıkış gerilimi (V)
Rs
: Eşdeğer devrenin seri direnci (Ohm)
RSH : Eşdeğer devrenin paralel direnci (Ohm)
e
: Elektron yükü (1.6021917 x 10 -9 C)
k
: Boltzmann sabiti (1380622 x 10 -23 J/°K)
Tpil
: Referans çalışma sıcaklığı (°K)
ID olarak işaretlenen akım, FV pili oluşturan yarıiletken malzemelerin P-N
birleşme noktasından akan bir iç akım olup, pilin mutlak sıcaklığı, terminal gerilimi
ve yük tarafindan çekilen akımın bir fonksiyonu olarak değişir. Bu Eş.2.2 ile ifade
edilir [15].
⎡
⎞⎤
⎛ e
(
V pil + R s × I pil )⎟ ⎥
I D = I o ⎢ exp ⎜
⎟⎥
⎜ AkT
pil
⎠⎦
⎝
⎣⎢
(2.2)
2.2.4. FV güneş pili akım gerilim I-V karakteristikleri
Bir fotovoltaik güneş pilinin elektriksel özelliklerini belirlemek için bu pilin akım ve
geriliminin yükten nasıl etkilendiğini gözlemek gerekir. Bu amaçla Şekil 2.7’de
verilen bağlantı kullanılabilir. Bu şekilde, FV pil paneli seri bağlı bir ampermetre
15
üzerinden ayarlanabilen bir yüke doğrudan bağlanmıştır. Günün belirli bir saatinde,
gün ışığı ve ortam sıcaklığındaki değişmelerin ihmal edilebilecek kadar az olduğu
kabul edilerek, yük açık konumdan uçlarının kısa devre olduğu konuma kadar
ayarlanırken, ampermetre ve voltmetredeki değerler her yük kademesi için
kaydedilip grafik olarak çizilirse, Şekil 2.8’da verilen Akım-Gerilim (I-V)
karakteristiği elde edilebilir [13].
Şekil 2.7. FV pil panelinin doğrudan doğruya ayarlanabilen bir yüke bağlanması
Şekil 2.8. FV pil panelin akım-gerilim (I-V) karakteristiğinin yükle değişimi
Gerek yukarıda verilen Eş.2’lerden, gerekse Şekil 2.8’den anlaşılacağı gibi, bir FV
pilin ya da panelin akım ve gerilimden herhangi biri ya da her ikisi birden sıfırken,
çıkış gücü de sıfırdır. Dolayısıyla çıkış gücünün değişimi Şekil 2.9’da görüldüğü gibi
olur.
16
Şekil 2.9. FV pilin I-V ve P-V karakteristikleri
Şekil 2.9’dan anlaşılacağı gibi çıkış gücü, akım ve gerilimin belirli değerlerinde
maksimum olmaktadır. Bir FV pili ya da panelinin maksimum çıkış gücü, üzerine
gelen günışığı seviyesi ve çalışma sıcaklığına bağlı olarak değişir. Dolayısıyla
kurulan ve işletilen bir FV pil panelinden daha verimli bir şekilde faydalanmak için,
o panelin çıkış gücünü mümkün olan maksimum değerinde tutmak gerekir.
Güneş pilinin karakteristiğini etkileyen çevresel parametreler
(a) Kısa devre akımı: (Iph=Isc) Kısa devre durumunda (V=0) FV pil tarafından
üretilen akımın değerinin en büyük olduğu zamandaki akımdır.
(b) Açık devre gerilimi: Karanlık durumda diyot üzerinden akım değeri (ID=Iph) sıfır
olduğunda ölçülen gerilim değeridir. Bu durumda açık devre gerilimi matematiksel
olarak [16];
Voc =
⎛I
mkTc ⎛ I ph ⎞
⎟⎟ = Vt ln⎜⎜ ph
ln⎜⎜
e
⎝ Io ⎠
⎝ Io
⎞
⎟⎟
⎠
Burada Tc mutlak sıcaklığı, Vt termal gerilimi ifade etmektedir;
(2.3)
17
Vt =
mkTc
e
(2.4)
(c) Maksimum güç noktası: FV pilin sağladığı gücün maksimum olduğu maksimum
çalışma noktasıdır.
Pmax = I max .Vmax
(2.5)
(d) Maksimum verim: Maksimum güçün girişteki ışık gücünün maksimum değerine
oranıdır.
η=
Pmax I maxVmax
=
Pin
A.Ga
(2.6)
Burada Ga maksimum güç noktasında çevredeki ışık şiddetidir.
(e) Doluluk faktörü: Maksimum gücün üretilen Isc and Voc değerlerine oranıdır.
DolulukFaktörü = FF =
Pmax
I V
= max max
Voc I sc
Voc I sc
(2.7)
Doluluk faktörü I-V karakteristiğinin bir ölçütüdür. Bu değerin 0.7 den büyük olması
tercih edilir. Doluluk faktörü pilin sıcaklığı arttıkça azalmaktadır.
Şekil 2.10’ da çevresel ışık şiddetinin Ga ve pilin sıcaklılığının Tc, I-V
karakteristiğine olan etkisi görülmektedir.
18
Şekil 2.10. Çevresel ışık şiddetinin ve pilin sıcaklılığının I-V karakteristiğine
olan etkisi
Şekilden de görüldüğü gibi açık devre gerilimi çevresel ışık şiddeti ile logaritmik
olarak, kısa devre gerilimi ise lineer olarak artmaktadır. Açık devre gerilimi hücre
sıcaklığı arttıkça azalırken kısa devre gerilimi çok küçük oranda artmaktadır. Bu artış
ve azalışlar Şekil 2.10’da oklarla gösterilmektedir [16].
Işık şiddeti, ya da güneş radyasyonu seviyesi arttıkça FV pilin maksimum çıkış gücü
de artmaktadır. Ancak ışık şiddeti arttıkça, maksimum çıkış gücünün yanı sıra, hem
bu güce karşılık gelen pil akımı hem de pil gerilimi artar. Benzer etki, Şekil 2.10 (b)
de, FV pilin çıkış gücünde de görülmektedir. Çalışma sıcaklığının artması FV pilin
çıkış gerilimini olumsuz yönde etkilemektedir. Gerilimdeki azalma doğrudan
doğruya güce yansıdığından, çalışma sıcaklığındaki artış çıkış gücünü de olumsuz
yönde etkiler [13].
Sonuç olarak; FV piller için ışık şiddeti yüksek, sıcaklığı düşük ortamlarda daha
iyidir.
19
2.2.5. Maksimum güç noktası izleyici (MGNİ) devreleri
Güneş panellerinin elektriksel karakteristiği sıcaklığa, ışık şiddeti ve açısına,
bağlanan yüke göre çok değişim gösterir. MGNİ (maksimum güç noktası izleyici)
devresi güneş panellerinin çıkışına bağlanan ve panellerin karakteristiği değişse de
en verimli akım-gerilim değerlerinde çalışmasını sağlar. Bu sayede verim
panellerden elde edilen güç koşullara göre %10–30 kadar arttırılabilir. MGNİ
devreleri özellikle güneşin yeryüzüne az ulaştığı soğuk kış aylarında yükselen panel
gerilimleri sebebiyle çok yarar sağlamaktadır.
Şekil 2.11. MGNİ devresinin genel blok diyagramı
Günümüzde fotovoltaik sistemlerin kullanım yeri ve amacına uygun olarak optimal
şartlarda seçiminde çeşitli zorluklar söz konusudur. Çünkü, FV sistem elektriksel güç
çıktısı; diğer güneş enerjisi uygulamalarından farklı olarak, ışınım şiddeti ve çevre
sıcaklığı yanında, güç temin ettiği elektriksel cihazın (yük) iç direncine bağlı olarak
da doğrusal olmayan (üstel) bir değişim gösterir. MGNİ'nin görevi solar
donanımından gelen elektriği maksimum güç elde edecek şekilde koşullandırarak her
bir pile depolamak veya motor kontrol ünitesine motoru tahrik için göndermektir.
Solar donanım pilleri şarj ederken, MGNİ'ler pilleri fazla yüklemeden dolayı gelecek
hasarı önler. Kullanılacak kuvvetlendirici sayısı, her takımın tasarımına göre farklılık
gösterir. MGNİ'ler çok hafif olmakla beraber, yaklaşık %95 verimle çalışmaktadırlar
[17].
20
2.2.5.1. FV panel maksimum güç noktalarının tespiti
Literatürde FV panel için I-V karakteristiklerini ifade eden çok sayıda matematiksel
model bulunmakta olup bu modellerin ortak yanı genelde üstel birer fonksiyon
olmalarıdır. Normal şartlar altında bir panelin akım-gerilim ilişkisini yüksek
hassasiyetle tespit etmede gerekli parametre sayısı beş olmasına karşın, mükemmel
şartlarda tasarlanmış hücreler için panelin şönt (paralel) direnci ihmal edilerek
düzenlenir.
⎡ ⎛I −I
⎞⎤
V = A.⎢ln⎜⎜ L
+ 1⎟⎟⎥ − I .RS
⎠⎦
⎣ ⎝ Io
(2.8)
Eş.2.8 ile bu ilişki dört parametrenin bilinmesi suretiyle tespit edilebilir [11,12].
Eş.2.8’de yer alan parametreler sırasıyla;
IL: kısa devre akımı,
I0: karanlık akım,
A: sıcaklık katsayısı
RS: seri direnç
değerini gösteriyor olup, bu dört parametre sıcaklığın ve ışınım şiddetinin birer
fonksiyonudurlar.
Literatürde çok sayıda kullanılan MGNİ kontrol yöntemi vardır bunların bazıları
şunlardır [9]:
•
Değiştir ve gözlemle yöntemi (perturbation and observation method )
•
Güç geri beslemesi yöntemi (power-feedback method)
•
İletkenlik artımı yöntemi (incremental conductance)
•
Gerilim (veya akım) geribesleme yöntemi (voltage or current feedback)
•
Doğrudan yöntem (direct method)
•
Batarya şarj akımı (battery charging current) (feed-forward)
21
Bu çalışmada maksimum güç noktasında çalışabilmek için kullanılan yöntemlerden
“değiştir ve gözlemle” yöntemi kullanılmaktadır.
Değiştir ve gözlemle (DG) yöntemi ile maksimum güç noktalarının tespiti
Bu teknik, FV panelden çekilen akımı uygun biçimde değiştirerek panelden çekilen
güç değerlerini gözlemlemek ve çekilen gücün maksimum olduğu noktada çalışacak
biçimde gerekli düzenlemeleri yapmak üzerine kuruludur. Mikrodenetleyici, DA/DA
dönüştürücünün denetim işaretinin doluluk oranını değiştirerek, FV çıkış geriliminin
değişmesine neden olur. Yeni noktada çekilen güç değeri bir önceki değerle
karşılaştırılır ve bu biçimde, yinelemeli olarak yapılan bir işlemle maksimum güç
noktası yakalanır. Koşullar değiştikçe pil karakteristiği de kayar, ancak denetleyici
her koşulda yeni maksimum güç noktasını bulur. Bu denetime “değiştir ve gözlemle
(PO:Perturbation and observation) yöntemi” adı verilir [10]. Yöntem, matematiksel
olarak şu biçimde tanımlanabilir:
dp
p (k ) − p (k − 1)
(k ) =
dv
v (k ) − v (k − 1)
(2.9)
Burada v(k), i(k), p(k), gerilimin, akımın ve gücün anlık değerlerini gösterir ve,
p (k ) = v(k ) i (k )
(2.10)
Gücün en yüksek değerinde olduğu noktada dp/dv değeri sıfır olacağından,
denetleyici aslında bu değerleri izler.
Şekil 2.12’de değiştir ve gözlemle yöntemi ile MGNİ’nin kontrol akış şeması
görülmektedir.
22
Şekil 2.12. Değiştir ve gözlemle metodu ile MGNİ’nin kontrol akış şeması
Akü şarj uygulamalarında buradaki DA/DA çevirici çıkış gerilimi hemen hemen
sabit kabul edilirse Şekil 2.11’deki gibi bir ileri besleme MGNİ denetleyici
uygulanabilir. Akü şarj akımının değeri, DA/DA çeviriciye uygulanan PWM kontrol
sinyalinin doluluk oranı ile direkt olarak kontrol edilir. Yüke maksimum güç transfer
edilene kadar PWM kontrol sinyalinin doluluk oranı, ve istenen çıkış akımı elde
edilene kadar çıkış gücü arttırılır. FV panelin çıkış gücü kullanılarak güç çeviricilerin
kontrolü bu metod ile belirlenir. MGNİ kontrol akış algoritması Şekil 2.12’de
gösterilmiştir. Burada FV çıkış gücü, akım değeri ve örnekleme gerilimi tarafından
güç değiştirilerek hesaplanmaktadır. Güç değişimi, o andaki ve bir önceki gerilim
23
seviyesini karşılaştırarak ve PWM kontrol sinyalinin üretimi için kullanılan referans
gerilimine (Vref ) bağlı olarak belirlenir.
Bu metotta FV panel çıkış gücünün ve DA/DA çeviriciye uygulanan PWM kontrol
sinyalinin doluluk oranının ölçümü için bir mikro denetleyici kullanılır. FV panelin
çıkış gücünün mevcut değeri, bir önceki değeri ile karşılaştırılarak FV panelin akım
ve gerilim değerleri hesaplanır. Bu karşılaştırma işlemi, maksimum güç noktasına
ulaşana kadar doluluk oranı değiştirilerek tekrarlanır. Mikrodenetleyicilerle yapılan
MGNİ kontrol uygulaması, DA/DA çevirici ve akü kullanımlarında düşük maliyetli,
düşük güç tüketimli ve yüksek verimlidir [10].
2.2.6. FV üreteçler (pil, modül, panel)
Güç çıkışını artırmak amacıyla çok sayıda güneş pili birbirine paralel ya da seri
bağlanarak bir yüzey üzerine monte edilir, bu yapıya fotovoltaik üreteç adı verilir.
Bir fotovoltaik üreteç güneş pilleri, bağlantı elemanları, koruyucu elamanlar ve
destek elemanlarından oluşmaktadır. Günümüzdeki modellemeler sadece FV
pil/modül/panel üzerinde odaklanmaktadır [16].
Şekil 2.13. FV üreteç çeşitleri
24
2.2.6.1. FV pil modeli
Karanlıkta FV pil aktif değildir. p-n eklemli bir diyot gibi çalışır, ne akım ne de
gerilim üretir. Bununla beraber eğer bir harici destek eleman eklenirse ID akımı
üretilir, bu akıma diyot akımı veya karanlık akım adı verilir.
Resim 2.2. Fotovoltaik pil
Pratik kullanımda FV piller seri ve paralel olarak birbirine bağlanırlar. I-V
karakteristik eğrisi, seri ve paralel bağlantıda şekildeki gibi farklılık göstermektedir.
Şekil 2.14. Seri (a) ve paralel (b) bağlanmış eşdeğer hücreler
Şekil 2.14’den de görüldüğü gibi I-V karakteristik eğrisi, eşdeğer FV piller seri
bağlandığında akım aynı kalırken gerilim değeri artmaktadır. Paralel bağlandığında
ise gerilim değeri aynı kalırken akım değerinde artış olmaktadır [16].
25
2.2.6.2. FV modül modeli
FV güneş pili modülü oluşturulurken, gerekli çıkış gerilimini elde etmek için yeterli
sayıda pil seri bağlanırken, gerekli akımı elde edebilmek için de, seri bağlı pil
grupları paralel bağlanır. Resim 2.3’de FV pillerden oluşan FV modül görülmektedir.
Resim 2.3. FV pil modülü
Güneş modülü oluştururken kullanılacak pillerin tamamen aynı özelliklerde olması
gerekir.
2.2.6.3. FV panel modeli
FV güneş paneli oluşturulurken, gerekli çıkış gerilimini elde etmek için yeterli sayıda
modül seri bağlanırken, gerekli akımı elde edebilmek için de, seri bağlı modül
grupları paralel bağlanır. Resim 2.4’de FV modüllerden oluşan FV panel
görülmektedir.
26
Resim 2.4. FV güneş paneli
2.3. Hidrojen Enerjisi ve Yakıt Hücreleri
2.3.1. Hidrojen enerjisi
Hidrojen bilinen tüm yakıtlar içerisinde birim kütle başına en yüksek enerji içeriğine
sahiptir (Üst ısıl değeri 140.9 MJ/kg, alt ısıl değeri 120,7 MJ/kg). 1 kg hidrojen 2.1
kg doğal gaz veya 2.8 kg petrolün sahip olduğu enerjiye sahiptir. Ancak birim enerji
başına hacmi yüksektir. Hidrojen doğada serbest halde bulunmaz, bileşikler halinde
bulunur. En çok bilinen bileşiği ise sudur.
Hidrojen bir doğal yakıt olmayıp, birincil enerji kaynaklarından yararlanılarak
değişik hammaddelerden üretilebilen bir sentetik yakıttır. Hidrojen üretiminde tüm
enerji kaynakları kullanılabilmektedir. Hidrojenin üretim kaynakları bol ve çeşitlidir.
Fosil yakıtlardan elde edilebildiği gibi güneş, rüzgar, hidrolik enerji gibi yenilenebilir
enerji kaynaklarının kullanılması ile suyun elektrolizi yolu ile üretimi, biyokütleden
üretimi ve biyolojik proseslerle üretimi mümkündür. Günümüzde hidrojen ağırlıklı
olarak doğal gazdan buhar reformasyonu sonucu elde edilmektedir. Suyun elektrolizi
bilinen bir yöntem olmakla beraber ekonomik hale getirilmesi konusunda çalışmalar,
gene benzer şekilde güneş enerjisinden biyoteknolojik yöntemlerle hidrojen üretimi
konusunda araştırma-geliştirme çalışmaları devam etmektedir [19]. Son yıllarda
dünyadaki gelişim hidrojeninin yakıt olarak kullanıldığı yakıt pili teknolojisi
doğrultusundadır.
27
2.3.2. Yakıt hücreleri
Yakıt pilleri (yakıt hücreleri) aynı zamanda, sürekli enerji değişimi yapan araçlar
(üreteçler) olarak da tanımlanabilir. Yakıt pili ile hidrojen üretimi için kullanılan
bir elektroliz hücresi beraber kullanıldığında ideal bir fotovoltaik enerji depolama
sistemi oluşur. Çünkü güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren
fotovoltaik pillerin ürettiği doğru akımı kullanarak suyu elektrolizle hidrojen ve
oksijene ayırmak, daha sonra da bu hidrojeni, yakıt pillerinde istenildiği zaman
ve yerde enerjiye dönüştürmek mümkündür. Yakıt pilleri, akü sistemlerinden
oldukça farklı bir yapıya sahip olup tekrar şarj edilmesi söz konusu değildir [15].
Yakıt pilleri aşağıda sıralanan alanlarda kullanılabilmektedir:
•
Uzay çalışmaları/askeri uygulamalar
•
Evsel uygulamalar
•
Yüksek güçlü elektrik üretimi (santral)
•
Taşınabilir güç kaynağı uygulamaları
•
Atık/atık su uygulamaları
•
Taşıt uygulamaları
2.3.2.1. Yakıt hücresinin yapısı
Yakıt pilleri, temiz, çevreye zarar vermeyen ve yüksek verime sahip enerji dönüşüm
sistemleridir. Yakıt gazlarındaki kimyasal enerji, düşük enerjili, minimum hareketli
parçalar içeren ve hava kirliliğine sebep olmayan elektro kimyasal bir süreçte
elektrik enerjisine dönüştürülür [19].
28
Şekil 2.15. Yakıt hücresinin yapısı
Yakıt pili hücrelerden meydana gelmektedir. Her bir hücre de, anot ve katot olmak
üzere iki elektrot ve bu elektrotların sardığı elektrolitten oluşur (Şekil 2.15). Anot
elektroduna yakıt elektrodu, katot elektrotuna da oksijen elektrodu adı da
verilmektedir. İstenilen gerilim değerine göre hücreler birbirlerine seri bağlanır.
Ayrıca hücrenin üretebileceği akım değeri yüzey alanı ile orantılıdır. Akım değeri
arttırılmak istenirse hücrenin yüzey alanı da orantılı olarak arttırılmalıdır [21].
2.3.2.2. Yakıt hücresinin çalışma prensibi
Prensip
olarak,
yakıt
pilleri
elektrokimyasal
bataryaların
işlevini
görür.
Elektrokimyasal bataryalardan farklı olarak, yakıt pilleri bitmez ya da şarj edilmesine
gerek yoktur. Yakıtla beslendiği sürece elektrik ve ısı formunda enerji üretir.
Hidrojen, yakıt pillerinin anoduna beslenir. Oksijen (veya hava) yakıt pillerine
katottan girer. Bir katalizör yardımıyla, hidrojen atomu, katoda farklı yollar izleyerek
gidecek olan bir proton ve bir elektrona ayrılır. Proton elektrolit içerisinden geçer.
Elektronlar, katoda dönüp hidrojen ve oksijen ile birleşerek su molekülü
oluşturmadan önce bir elektrik akımı oluştururlar [35].
29
Şekil 2.16. Yakıt pillinin çalışma şekli
Yakıt pilinin çalışması için hidrojen – oksijen veya hidrojen – hava gereklidir. Bir
yakıt pilinin merkezinde iki elektrot arasına yerleştirilmiş elektrolit bulunur. Şekil
2.16’dan da görüldüğü gibi hava, katot yüzeyi üzerinden geçer. Elektronlar katoda
doğru bir dış devre yoluyla taşınırken hidrojen iyonları da elektrolit yoluyla oksijen
elektroda göç ederler. Katotta oksijen ve hidrojen iyonları ile elektronların
reaksiyona girmesiyle su elde edilir. Elektronların dış devre yoluyla akışı ile elektrik
üretir. Yakıt kullanımındaki yüksek verim nedeniyle, bu elektrokimyasal işlemden
çıkan yan ürünler, ısı, buhar halinde su ve anottan katoda elektron akışından doğan
elektrik akımıdır. "Yakıt dönüştürücü" içeren bir yakıt pili sistemi hidrojeni herhangi
bir hidrokarbondan-doğalgazdan, metanolden ve hatta benzinden elde edebilir [35].
Yakıt hücresi çalışma mekanizması suyun elektrolizinin tam tersidir. Yakıt
hücresi için reaksiyon formülü aşağıdaki gibidir [20].
Anotta
H2=2H+ + 2eKatotta
1
O2+2H+ + 2e-=H2O
2
Toplam reaksiyon;
30
H2 +
1
O2 =H2O
2
şeklinde gerçekleşir.
Bu tepkime sonucunda elektrik, su ve bir miktar ısı açığa çıkar. Açığa çıkan bu ısı
miktarı evsel veya herhangi bir uygulama için kullanılarak yakıt hücresinden elde
edilen toplam verim arttırılabilir.
2.3.2.3. Yakıt hücresinin çeşitleri
Genel olarak yakıt pilleri çalışma sıcaklıkları bakımından iki kategoriye
ayrılmaktadır. Bunlar; düşük sıcaklıklı ve yüksek sıcaklıklı yakıt pilleridir [35].
Düşük sıcaklıklı yakıt pilleri;
•
Alkalin yakıt pili (AFC)
•
Katı polimer yakıt pili (PEMFC)
Yüksek sıcaklıklı yakıt pilleri;
•
Erimiş karbonatlı yakıt pilleri (MCFC),
•
Fosforik asit yakıt pilleri (PAFC),
•
Katıoksit yakıt pilleri (SOFC)
Yakıt hücreleri, kullandıkları yakıt ve/veya oksidanta göre de şu biçimde sınıflara
ayrılır:
•
Gaz reaktantlı (Hidrojen, amonyak, hava ve oksijen gibi)
•
Sıvı yakıtlı (Alkoller, hidrazin, hidrokarbonlar)
•
Katı yakıtlı (Kömür, hidritler)
31
Bugünkü uygulamalarda çoğunlukla alkalin yakıt pilleri ve fosforik asit yakıt pilleri
kullanılmaktadır. Alkalin yakıt pilleri ABD’de geniş bir alanda kullanılırken, fosforik
asit yakıt pilleri ise uzay çalışmalarında tercih edilmektedir. Taşıtlara yönelik
uygulamalar için katı polimer yakıt pili (PEM) kullanılmaktadır. Sabit tesis enerji
üretim santralleri için ise katı oksit yakıt pili (SOFC) ve erimiş karbonat yakıt pili
(MCFC) kullanılmaktadır [19].
Çizelge 2.1’de yakıt pili çeşitleri uygulama alanları, avantajları ve dezavantajları
yönünden karşılaştırılmaktadır [19,20].
Çizelge 2.1. Yakıt hücresi çeşitlerinin karşılaştırılması [19,20]
Yakıt pili
Çeşitleri
PEMYP
AYP
FAYP
EKYP
SOFC
Uygulamaları Avantajları
Dezavantajları
Katı elektrolit aşınma
Elektrik
ve kontrol sorunlarını
Taşınabilir güç
azaltır
Ulaşım
Düşük sıcaklık
Ordu,uzay
Çabuk çalışma
Alkali elektrolit
kullanımında katot
Ordu
tepkimesi daha hızlı
Uzay
gerçekleşir
Yüksek performans
Elektrik
Yakıt olarak saf
Ulaşım
olmayan hidrojen
Ordu
kullanılabilme
Yüksek sıcaklık
avantajları
Elektrik
Düşük sıcaklık pahalı
katalizörlere ihtiyaç
Yakıt içindeki pisliklere karşı
aşırı duyarlılık
Elektrik
Aşınma ve kontrol
sorunları azalır
Yakıt ve havadaki karbon
dioksitin ortadan kaldırılması
maliyeti arttırır.
Pt katalizörler
Düşük akım ve güç
Büyük boyut / kütle
Yüksek sıcaklık, pil
bileşenlerinin aşınmasına ve
kırılımına neden olur.
Yüksek sıcaklık, pil
bileşenlerinin kırılımına neden
olur
32
2.3.2.4. Yakıt pilinin avantajları ve dezavantajları
Yakıt pili kullanımının birçok avantajı vardır. Bu avantajlar, aşağıdaki gibi
sıralanabilmektedir [19,20,21]:
•
Çevre dostudur
•
Doğrudan enerji dönüşümü (yakma yok)
•
Hareketli parça olmaması
•
Gürültü kirliliği oluşturmaz, sessiz çalışır
•
Düşük sıcaklık birimlerinin mümkün olması
•
Yüksek verimle çalışır
•
Boyutları küçüktür
•
Modülerdirler
•
İnşa edilecek alanda çok az çevre kısıtlamaları gerektirirler
•
Kısa sürede ve kullanıcıya yakın inşaa edilebilirler
•
Yakıt olarak saf hidrojenin yanı sıra doğal gaz, metanol veya kömür gazları
kullanılabilir
•
Minimum seviyede kükürt oksit ve azot oksit emisyonları bulunur
•
Katı atık problemleri yoktur.
•
Atık ısıları kullanılabilirdir.
Yakıt pili kullanımının avantajlarının yanında bazı dezavantajları da vardır. Bu
dezavantajlar, aşağıdaki gibi sıralanabilmektedir:
•
Üretimi pahalıdır.
•
Çok yeni bir teknoloji olduğu için Türkiye’de kullanımı azdır.
•
Sıvı hidrojenin muhafazası petrolün neredeyse 4 katıdır.
•
Nükleer, güneş, biyoenerji ve rüzgar enerjisiyle üretilecek hidrojen
üretiminden CO2 atığı çıkmazken, kömürden üretimde ton başına 600 milyon,
doğalgazdan üretimde de 300 milyon partikül havaya karışmaktadır.
(Kömürden üretim yer altında yapılması halinde bu risk ortadan kalkacaktır.)
33
2.3.3. PEM (Proton değişim zarlı) yakıt pili ve eşdeğer devre modelinin elde
edilmesi
Bu tip yakıt hücrelerinde elektrolit olarak polimer madde kullanıldığı için “Proton
Değişim Zarlı” (PEM - Katı Polimer yakıt pili - SPFC) yakıt pili adı verilmiştir.
Kullanılan elektrotlar ise karbon yapılıdır. Kullanılan polimer zar ince küçük ve
hafiftir. PEM yakıt pilinin en önemli özelliği proton iletim özelliği olan bir zara sahip
olmasıdır. Bu zarın su, yakıt, oksijen ve
havadaki diğer gazları
geçirmeyen
özelliklerde ısıl, mekanik ve kimyasal direnci yüksek bir malzemeden yapılmış
olması gerekmektedir [21].
PEM yakıt pilleri taşıt uygulamaları için en uygun olanıdır. NASA için General
Elektrik (GE) tarafından bu yakıt pillerinin ilki geliştirilmiştir. PEM yakıt hücresinin
uzay uygulamalarındaki üstünlükleri; bataryayla mukayese edildiğinde, yüksek enerji
yoğunluğuna sahip olması, sıvı elektrolitin aşındırıcı etkisinin olmayışı ve plaka
tasarımının kolay oluşudur [20]. Tez kapsamında incelenen PEM tipi hücrenin resmi
Resim 2.5’de verilmektedir.
Resim 2.5. Bir PEM tipi yakıt pili (Ballard Nexa 1.2kW)
PEM yakıt hücresinin eşdeğer devre modelinin elde edilmek için farklı çıkış
güçlerine sahip üç adet PEM yakıt hücresi akım dalgalanması ve verim açısından
karşılaştırılarak eşdeğer devre modeli çıkarılmıştır [33]. Hücrenin DA eşdeğer
devresini elde etmek için yapılan deneylerin sonuçları aşağıda verilmiştir.
34
Çizelge 2.2. PEM yakıt hücresinin eşdeğer devre modelinin elde edilmek için
kullanılan deneysel sonuçlar [33]
Yakıt Hücresi Çeşidi
Vo,yüksüz
[V]
Vtaban
[V]
Itaban
[A]
Ptaban
[W]
Rtaban
[Ω]
SR-12
40.6
28.9
17.3
500
1.67
NEXA
42.2
26.6
45
1200
0.59
BCS
19.2
12
25
300
0.48
Burada;
Vo,yüksüz= Yüksüz çıkış gerilimi
Vtaban= Tam yükteki yakıt hücre yığını gerilimi
Itaban= Tam yük akımı (RMS)
Vtaban= Çıkış gücü
Rtaban= İç direnç
Bu sonuçlara göre yakıt hücresinin DA eşdeğeri genel olarak Şekil 2.17’deki gibi bir
bataryanın DA eşdeğerine benzer şekilde modellenebilir.
Şekil 2.17. PEM Yakıt hücresinin DA eşdeğer devre modeli
Buradan gerilim regülasyon katsayısı (VRF) hesaplanırsa;
VRF =
Vo, yüksüz − V o,tamyük
Vo,tamyük
(2.11)
35
Yakıt hücresinin tam yük çekmesi durumunda çıkış gerilimi;
Vo,tamyük= Vo,yüksüz - RpItamyük
(2.12)
Eşitlikleri birim değerler cinsinden yazmak, sistemleri karşılaştırmak açısından
faydalıdır. Gerilim ve akım değerlerinin tam yük değerinin taban değerler olarak
seçilmesi ve direncin taban değerinin;
Z taban =
Vtamyük
I tamyük
(2.13)
biçiminde hesaplanması ile iç direnç birim değeri;
R p ,birim =
Rp
Z taban
(2.14)
olarak elde edilir. Böylece VRF değeri yeniden yazılabilir;
VRF = R p ,birim
(2.15)
Buradan yakıt hücresinin VA (Volt-Amper) değeri şu biçimde yazılabilir:
VA= Vo,yüksüz Itamyük
(2.16)
Bu büyüklüğün birim değeri için,
VAbirim =
Vo , yüksüz I tamyük
Vtaban I taban
(2.17)
buradan,
VAtaban=VRF+1
(2.18)
36
elde edilir. Buradan PEM yakıt hücrelerinin polarizasyon eğrilerini yani I-V
karakteristiği Şekil 2.18’deki gibi elde edilmiştir [33].
Şekil 2.18. PEM yakıt hücrelerinin I-V karakteristiği [33]
Yukarıdaki eşitlikler dikkate alındığında VRF değeri çok küçük olan yakıt
hücrelerinin verimlerinin daha yüksek olacağı görülmektedir. Bu çalışmadan sonra
PEM yakıt hücresinin AA eşdeğer devresini modellemeye yönelik ölçümler
yapılmıştır [33]. Bunun için hücreler belli bir çalışma noktasındayken, hücrelere 0.1
Hz -10 kHz aralığında çeşitli frekanslarda küçük genlikli AA işaretler uygulanmış,
hücrelerin frekans tepkisi ölçülmüştür. Deneyler farklı DA çalışma noktaları için
tekrarlanmıştır. Bu deneylerden elde edilen empedans değerleri genlik ve faz
değişimlerini gösterecek biçimde aşağıdaki gibi çizilmiştir [33].
Şekil 2.19. Yakıt hücrelerine 0.1Hz -10 KHz aralığında değişen frekanslar
uygulanarak elde edilen genlik ve faz değişimleri [33]
37
Yukarıda tanımlanan DA ve AA deney sonuçlarından yakıt hücresinin dinamik
davranışını modelleyebilecek bir eşdeğer devre çıkarılmıştır. Bunun için Nyquist
empedans çizimlerindeki her bir yarı çemberin tek bir zaman sabitine karşılık geldiği
gerçeğinden yararlanılmıştır. Ölçüm sonuçları üç tane zaman sabitinin varlığını
göstermektedir. Şekil.2.20’de bu şekilde geliştirilen belli bir DA çalışma
noktasındaki bir PEM hücrenin dinamik davranışını göstermekte kullanılabilecek bir
eşdeğer devre modeli verilmektedir [33].
Şekil 2.20. PEM yakıt hücresinin eşdeğer devre modeli [33]
2.4. Sistemde Kullanılan Güç Elektroniği Dönüştürücü Devreleri
2.4.1. DA-DA yükselten (Boost) dönüştürücüler
DA-DA dönüştürücüler güneş panelleri uygulamalarında özellikle akü şarj edicisi olarak
kullanılmaktadır. Aşağıda Şekil 2.24’de çizilen şekilde ana hatlarıyla bir yükselten
dönüştürücünün yapısı gösterilmiştir. Devrenin ana görevi düşük giriş gerilimini
yüksek çıkış gerilimine dönüştürmektir. Anahtar durumu kontrol sinyali, sabit periyot T
ve çalışma zamanı ile kontrol etmektedir [22,30].
Şekil 2.22(a)’da görüldüğü gibi anahtar iletime geçtiğinde diyot ters olarak
kutuplanmış olur ve yalnızca kapasite çıkış kısmına bağlı kalır. Bobin giriş kısmında
enerji depolar, yüke yalnızca kapasitenin enerjisi uygulanmış olur [23,30].
38
Şekil 2.21. Yükselten dönüştürücü devresi
a)
b)
Şekil 2.22. Yükselten dönüştürücü a) açık, b) kapalı periyodu
di L
Vi = L
dt
(2.19)
Burada Vi giriş gerilimi ve IL bobin akımıdır.
Şekil 2.22 (b)’de görüldüğü gibi anahtar kesim konumundayken diyot iletime girer ve
bobin ile giriş kaynağından kapasiteye doğru bir enerji akışı başlar. Bu kipte çalışma
şu biçimde tanımlanır:
39
di
Vi − Vo = L
dt
(2.20)
Sürekli ve periyodik olarak bobin akımı uygulanırsa eşitlik;
Vi
V − Vo
1
t on = i
t off =
L
L
1− D
(2.21)
Burada D anahtarın doluluk oranıdır [22,30].
Sonuç olarak,
1
Vo Ts
=
=
Vi t off (1 − D )
(2.22)
elde edilir.
2.4.2. DA-DA düşüren senkron (senkron buck) dönüştürücü
Hidrojen üretim sisteminde görüldüğü gibi DA bara gerilimi elektroliz için ihtiyaç
duyulan gerilimden oldukça fazladır. Dolayısıyla bu gerilimi elektroliz için ihtiyaç
duyulan 1,23 V ile 2,06 V arasında bir gerilime indirmek gerekir. Bu nedenle
düşüren tür bir DA-DA dönüştürücü kullanımı gerekir.
Elektroliz işlemi sonucunda yeteri kadar hidrojen üretmek için sistemden yüksek
akımlar geçirmek gerekecektir. Özellikle yüksek akımlar söz konusu olduğunda,
düşük çıkış gerilimli dönüştürücülerin verimleri de çok düşük olur. Bunun nedeni,
anahtar ve serbest döngü diyotu üzerindeki gerilim düşümlerinin çıkış gerilimi ile
karşılaştırılabilir boyutlarda olmasıdır. Bu sorunun çözümü için önerilen yöntem
düşüren senkron dönüştürücü kullanmaktır. Gerilimin düşük olması nedeniyle
anahtar olarak genellikle MOSFET kullanılır. Bu elemanlar iletimdeyken küçük bir
direnç gibi davrandığından ve IGBT ve diyotlar gibi sabit bir gerilim düşümleri
olmadığından, senkron dönüştürücülerin verimi yüksek olur [34].
40
Şekil 2.23.Senkron buck dönüştürücünün devresi
Bu devrenin normal düşüren dönüştürücüye üstünlüğü, serbest döngü aşamasında
diyottan dolaşacak olan akımın MOSFET elemanından dolaşıyor olması nedeniyle
gerilim düşümünün, dolayısıyla güç kaybının az olmasıdır. Dönüştürücünün çalışma
dalga biçimleri Şekil 2.24’te verilmektedir.
Şekil 2.24. Senkron buck dönüştürücünün dalga şekilleri
41
Senkron düşüren dönüştürücüde anahtar doluluk oranı;
D=
VO
Vs
(2.23)
eşitliği ile hesaplanır.
Anahtar iletimde iken kaynaktan gelen enerji endüktans akımını sabit bir eğimle
arttırırken, anahtarın kesime sokulmasıyla, endüktans akımı senkron MOSFET
üzerinden serbest döngü yapmaya başlar. Bunun için bu MOSFET’in kapısına
gerilim uygulanması gereklidir. Çıkış geriliminde ve endüktans üzerinde
dalgalanmalar meydana gelmektedir. Çıkış gerilimindeki dalgalanma:
∆V o =
Ts V o
.(1 − D).Ts
8C L
(2.24)
ile hesaplanır. Endüktans üzerindeki dalgalanma ise:
∆I L =
Vo
.(1 − D).Ts
L
(2.25)
eşitliği ile hesaplanmaktadır.
2.4.3. DA-AA dönüştürücü (evirici)
Eviriciler genel olarak DA sinyali AA sinyale çeviren elektronik devreler olarak
tanımlanabilirler. Güneş panellerinden elde edilen doğru gerilim evirici yardımıyla AA
gerilime çevrilebilir. Güneş enerji sistemlerinin ev uygulamaları ve AA motorlu pompa
uygulamaları gibi yerlerde kullanılmasından dolayı AA güce ihtiyaç duyulmaktadır.
Bu sebeple eviriciler bu uygulamalarda anahtar eleman rolü üstlenmektedirler [29,30].
Eviricilere ait olan en önemli özellikler :
a) Giriş gerilimi aralığı: Eviricim nominal şartlarda çalışmasını sağlayacak DA giriş
voltajı olarak tanımlanır.
42
b) Nominal ve maksimum çıkış gücü: Evirici tarafından AA yüklere sağlanabilecek
nominal ve maksimum çıkış gücü olarak tanımlanır.
c) Toplam harmonik bozulması: Ana harmonik dışındaki tüm harmoniklerin etkin
değerlerinin karelerinin toplamının karekök değerinin ana harmonik etkin değerine
bölünmesidir.
d) Evirici verimi: Çıkış güç değerinin giriş güç değerine oranı olarak tanımlanır.
η=
PAA
PDA
(2.26)
Değişik ölçüler kullanılarak eviriciler sınıflandırılabilirler [30].
1) Çıkışına göre: Tek fazlı veya üç fazlı eviriciler
2) Anahtarlama işlemine göre: Hat takip edici eviriciler: Bu eviricilerde fazlar
tarafından kontrol edilen tristör, mosfet gibi yan iletkenlerle anahtarlama yapılır.
Kendinden tetiklemeli eviricilerde ise güç anahtarları evirici tarafından kontrol edilir.
Genellikle eviriciler anahtarlama operasyonuna göre 3 ayrı sınıfa ayrılırlar.
a) Darbe genişlik modülasyonu sınıfı
b) Kare dalga eviriciler
c) Değişen sinüs dalgalı eviriciler
43
Şekil 2.25. Tek faz köprü eviricinin devre çizimi
Şekil 2.26. Tek faz köprü evirici dalga şekilleri [12]
Şekil 2.27. Eviricinin yüksek endüktif yük altındaki çıkış akımı [12]
44
Şekil 2.27’de görüldüğü gibi Q1 ve Q2 anahtarları devrede, Q3 ve Q4 anahtarları
devrede değilken yük üzerinde giriş gerilimi (Vs) görülecektir. Eğer Q3 ve Q4
anahtarları devrede, Q1 ve Q2 anahtarları devrede değilse yük üzerinde giriş geriliminin
tersi (-Vs) görülecektir [12].
Buradan AA çıkış geriliminin RMS değeri;
⎛ 2 To / 2 2 ⎞
Vo = ⎜⎜
Vs dt ⎟⎟
∫
To
0
⎝
⎠
1/ 2
(2.27)
eşitliğiyle hesaplanmaktadır [12].
2.5. Enerji Depolama Sistemleri
Şebekeden bağımsız bir FV sistemin en önemli bileşenlerinden biri enerji depolama
sistemleridir. Çünkü FV sistemin çıkış gücü sürekli olarak değişebilmektedir. Güneş
ışığının mevcut olduğu saatler boyunca FV sistem yükü besler ve elektrik enerjisini
depolar ancak karanlık durumda veya güneş ışığının yeterli olmadığı durumlarda ise
enerji kaynağı olarak yük direkt olarak enerji depolama sisteminden (akü, yakıt hücresi
v.b.) beslenmektedir [16].
Bu tezde, enerjinin elektrokimyasal bataryalar yanında hidrojen aracılığıyla da
depolanması öngörülmüştür.
2.5.1. Akü sistemleri
Fotovoltaik sistemlerin çoğunda, güneş ışığından alınan enerji, modüller aracılığıyla
toplanarak, gece veya bulutlu günlerde kullanılabilmek için kimyasal enerjiye
dönüştürülerek akülerde depolanır. Ayrıca, eğer güneş pillerinden alınan güç,
istenen miktarda değilse, aradaki fark akülerden karşılanabilir. Aküler elektrik
enerjisini kimyasal yollarla depolayabilen cihazlardır. Tekrar şarj edilebilme
özellikleri sayesinde defalarca kullanılabilirler. Akü içerisinden elektrik enerjisi
kullanıldıktan sonra kimyasal malzemeler orijinal formlarına geri döner ve daha sonra
şarj edilerek tekrar kullanılabilirler. Akü şarjı elektrolitik yöntemin özel bir
45
formudur. Tekrar şarj edilebilen akülerdeki deşarj-şarj döngüsü, akü şarj seviyeleri
pratik uygulamalarda istenilenin altına düşünceye kadar devam eder [24, 30].
2.5.1.1. Akümülatörlerin yapısı ve eşdeğer devre modeli
Elektrik enerjisini depolamaya yarayan bu sistemler konusunda çok yoğun çalışma
yapılmasına rağmen, eski tip kurşun-asit akülerin yerine geçebilecek depolama
sistemleri hala tam olarak geliştirebilmiş değildir. Ancak, kurşun-asit daha iyi hale
getirilmiştir. Bunun yanı sıra, Nikel-Kadmiyum, Nikel-Hidrojen, Nikel-Metal Hidrat,
Çinko, Çinko Bromür, Çinko-Manganez dioksit, Çinko-Hava, Sodyum-Sülfür,
Lityum ve redox piller üzerinde de çalışmalar devam etmektedir [15,30].
Akülerin elektrik eşdeğer devresi Şekil 2.28'deki gibi bir direnç ve bir sabit güç
kaynağı ile gösterilebilir [25,26,30].
Şekil 2.28. Akü basit modeli
Bataryanın bir yükü beslemesi (boşalma) sırasında uçlarındaki gerilim
E = V- I Ro
(2.28)
biçiminde ifade edilir. Burada Ro olarak isimlendirilen iç direnç parametresi deşarj
zamanı boyunca sürekli değişen bağlantı noktalan dirençleri, akü kapasitesi ile değişen
yüzey direnci farklı dirençlerin toplamından oluşmaktadır [25,30].
46
2.5.1.2. Akü şarjının temel prensipleri
Elektrokimyasal
bataryalar,
uçlarından
ters
yönde
DA
akıtılarak
yeniden
doldurulabilirler. Akülerin şarj edilmesi tamamıyla elektrolitik bir süreçtir. Akülerin
şarj ve deşarj süreçleri, çalışma ortam sıcaklığı ve koşulları akü ömrünü çok etkiler.
Akülerin şarj ve deşarjı esnasında enerjinin bir kısmı sıcaklığa dönüşür.[24,26,30]
V şarj = I şarj R iç +V akü
(2.29)
Aküler, akım veya gerilim denetimli şarj edilebilirler. Gerilim denetimiyle doldurma
sırasında uygulanan şarj geriliminin arttırılması şarj süresini kısaltır ancak gerilim
artışı iç kayıpların da artmasına neden olur. Bu da akünün kullanım zamanının
azalmasına sebep olur. Sabit akım ile akülerin şarj edilmesi metodu sabit gerilim
yönteminden daha uzun zaman alır, ancak daha sağlıklıdır. Güneş panelleri de bir
akım kaynağı olarak davrandığı için güneş enerjisi sistemlerinde kullanılabilecek en
elverişli yöntem akım denetimi yöntemidir [24, 30].
2.5.1.3. Akümülatörler için tanımlanan parametreler
Herhangi bir uygulama için batarya seçimi yapılacağı zaman dikkat edilmesi gereken
çeşitli parametreler vardır. Bu parametreler şu biçimde tanımlanmıştır [16]:
1) Nominal kapasite Qmax: Bataryada depolanabilecek en fazla yük miktarını
gösterir. Birimi Amper–saat (Ah) olarak ifade edilir. Genelde anma akımı ile
birlikte tanımlanır. Kapasitenin anma akımına bölünmesi ile elde edilen değer,
anma akımının ne kadarlık süre ile sağlanabileceğini gösterir.
2) Şarj durumu (State of charge - SOC): Bataryanın herhangi bir andaki
kapasitesinin nominal kapasitesine oranıdır. Şarj durumunun 0 ile 1 arasında bir
değeri olacağı açıktır. Eğer SOC=1 ise batarya tamamen dolmuş demektir. Eğer
SOC=0 ise batarya tamamen boşalmış demektir.
SOC = q/ qmax
(2.30)
47
3) Şarj/deşarj rejimi: Bu parametre nominal kapasite ve şarj/deşarj akımı arasındaki
ilişkiyi ifade eder. Saatteki şarj/deşarj hızıdır. Örneğin 150 Amper-saatlik bir
batarya 5 Amperlik bir deşarj akımıyla 30 saat deşarj rejimine sahip olduğu
hesaplanır.
4) Verim: deşarj boyunca şarj aktarımının oranıdır. Şarj miktarının ihtiyaç olan ilk
durumdaki şarja oranıdır. Şarj durumuna ve şarj/deşarj akımına bağlı olarak
değişir.
5) Ömür: Bataryanın nominal kapasitesinin %20’sinin kaybından önce devam eden
döngünün sayısıdır.
Gerekli akümülatör kapasitesinin hesaplanması
Bir akümülatörün yükü desteklemek için gerekli olan Amper-saat (Ah ) cinsinden
kapasitesini Eş. 2.31 ile hesaplarız [27]:
Ah =
E akü
η desarj (N S _ akü .Vdesarj ).DoD .N p _ akü
(2.31)
Burada;
Eakü = Deşarj başına aküden istenen enerji
ηdeşarj = Deşarj yolunun(diyot, kablo, bobin..) verimi
Ns_akü = Seri bağlı akülerin sayısı
Vdeşarj = Deşarj süresince ortalama hücre gerilimi
DoD = İstenen ömür için izin verilen maksimum deşarj derinliği
Np_akü = Parelel bağlı akülerin sayısı
2.5.2. Hidrojen ile enerji depolama sistemleri
Kısıtlı depolama özelliği olan aküler dışında enerjinin çok büyük ölçekte
depolanması için günümüzde irdelenen seçeneklerden biri üretilen enerjiyle hidrojen
üretmek ve hidrojeni depolamaktır. Depolanan hidrojeni daha sonra istenilen yer ve
48
zamanda kullanmak mümkündür. Burada en büyük engel, hidrojene dönüşüm ve daha
sonra hidrojenin depolanması ile kullanımı sırasında ortaya çıkan yüksek maliyet
olmaktadır. Bu engelin aşılması için güneş enerjisi kullanılarak hidrojen üretim
maliyeti içindeki ilk enerji maliyeti düşürülmekte, böylece sistemler daha ekonomik
hale getirilmektedir. Hidrojenin istenilen yerde kullanımı için geliştirilen yakıt pillerinde
büyük ilerleme görülmektedir [15].
Bir kilo kurşun asit akü saatte 40 Watt elektrik enerjisine eşdeğer enerjiye
sahipken, bir kilo Hidrojen 38000 Watt elektrik enerjisine eşdeğer enerjiye sahiptir.
Hidrojen, petrolün bitmeye başladığı 2000'li yıllarda yerine geçebilecek tek yakıt
tipidir. Tüketildiğinde egzozundan su çıkan, çevreye hiç zarar vermeyen, üretilirken
güneş enerjisinden faydalanan bir madde olma yolundadır. Dünyamızda hidrojen
bol miktarda vardır. Fakat hidrojeni yakıt gibi kullanabilmek için saklamak gerekir.
Hidrojen saf halde -253°C derecededir. Problem ise hidrojeni saklanabilir hale sokmak,
ve hidrojeni tüketerek, enerji elde etmektir.
2.5.2.1. Hidrojenin depolanması
Hidrojenin
belki
de
en
önemli
özelliği,
depolanabilir
olmasıdır.
Alternatif enerji kaynakları, güneş ve rüzgar enerjisinin taşınma ve depolanma
sorunu, doğalgazdan elde edilen hidrojenin de, alev alma riski vardır. Bu yüzden
hidrojenin güvenli bir şekilde depolanması ve taşınması önem kazanmaktadır.
Hidrojen depolama metotları genel olarak [19];
ƒ
Tanklarda gaz ve sıvı olarak depolama
ƒ
Hidrojen taşıyıcı hidrokarbonlarda (metanol gibi) kimyasal depolama
ƒ
Hidrojeni bazı metal alaşımlarıyla reaksiyona girdirerek metal-hidridler
şeklinde depolama
ƒ
Katı nano yapılarda depolama olarak sınıflandırılabilmektedir.
49
Hidrojenin basınçlı gaz olarak depolanması
Bu yöntem en ekonomik çözüm şekli olmakla birlikte hidrojenin enerji
yoğunluğunun oldukça düşük oluşu ve taşıt boyutlarına bağlı olarak basınçlı kapların
belirli boyutlarda yapılma zorunluluğu nedeni ile depolanan hidrojen miktarı ağırlık
olarak yetersiz kalmaktadır. Hidrojen gazının yüksek basınçta depolanması en eski
ve en çok kullanılan metottur. Hidrojen uygun nitelikli çelik tanklarda gaz veya sıvı
olarak depolanabilir. Ancak gaz olarak depolamada yüksek basınç nedeniyle tank
ağırlıkları problem yaratmaktadır. Hidrojen gazını depolamanın belki de en ucuz
yöntemi, doğal gaza benzer şekilde yer altında, tükenmiş petrol veya doğal gaz
rezervuarlarında depolamaktır.
Hidrojenin sıvı olarak depolanması
Sıvı hidrojen bilinen yakıtlar içerisinde kaynama noktasındaki yoğunluğu en küçük
ve özgül itme kuvvetinin en yüksek olması sebebiyle roketler, süpersonik ve
hipersonik uzay araçlarında yakıt olarak kullanılır. Hidrojenin sıvı olarak
depolanması yüksek maliyet nedeniyle uzay araçları ve
bazı roketlerden başka
uygulamalarda tercih edilmemektedir.
Hidrojenin sıvı halde depolanmasının bir takım yararları ve zararları vardır.
•
Ağırlık olarak nispeten hafif bir depolama şeklidir.
•
Taşıtta eğer klima ünitesi varsa sıvı hidrojen soğutma amaçlı kullanılabilir.
•
Sıvılaştırma için gerekli enerji büyüktür. Sıvılaştırma için hidrojen gazı
kullanılmaktadır.
•
Hidrojenin gaz halden sıvı hale geçerken bir kısmı buharlaşır bu sebeple faz
değişiminin hızlı bir şekilde gerçekleşmesi gerekmektedir.
•
Sıvı olarak hidrojenin tanklarda depolanması ve kullanılması sırasında
buharlaşma kayıpları meydana gelir . Hidrojenin tanklarda depolanması,
düşük sıcaklıklarda gerçekleştiğinden kullanılacak yakıt tankının, ısı
yalıtımının çok iyi yapılması germektedir.
50
Hidrojenin metal hidrid şeklinde depolanması
Küçük miktarlardaki hidrojenin depolanması için önerilen yöntemdir. Hidrojen
hidrid metallerle veya bu metallerin alaşımlarıyla kimyasal kombinasyon oluşturarak
depolanır. Hidridler, bir tank içinde hidrojen gazının metal alaşım parçacıkları ile
bileşik oluşturmuş şekilde depolanmasıdır.Hafif kütleli metal hidridler tercih
edilmektedir. Hidridlere ısı verildiğinde hidrojen serbest kalmaktadır. Hidrid
oluşturan metaller ve alaşımlar, bir süngerin suyu absorblaması gibi hidrojeni
absorbe eder. Kullanım sırasında da ısıtma ile hidrojen salınır. Metal hidrit sistemleri
güvenilir ve az yer kaplar, ancak ağırdır ve pahalıdır. Sodyum bor hidrürde hidrojen
depolamanın en önemli üstünlüğü depolanan hidrojenin oda sıcaklığında geri
alınabilmesi ve geri alımın katalizör yardımı ile kolaylıkla kontrol edilebilmesidir.
Katı nano yapılarda depolama
Son yıllarda karbon nano-yapıların (nano-tüp, nano-fiber vb.) çok büyük
miktarlarda hidrojen depolama kabiliyetlerinin olduğu görülmüştür. Hidrojen gazı,
boyutları milimetrenin milyonda biri mertebelerinde olan tüpçüklerin içinde yüksek
yoğunlukta depolanmaktadır. Nano-yapıların yüksek maliyetleri günümüzde pratik
olarak kullanımlarını engellemektedir, fakat yakın bir gelecekte nano-yapıların
hidrojen depolanmasında en önemli rol oynayacağı açıktır. Son yıllarda yapılan
çalışmalar sonucu hidrojen karbon nanotüplerde de depolanabilmektedir. Karbon
nanotüpler kısaca grafit tabakaların tüp şekline dönüşmüş halidir. Çapları birkaç
nanometre veya 10-20 nanometre mertebesinde, boyları ise mikron seviyesindedir.
2.5.2.2. Elektroliz
Bir elektrik iletkenliğine sahip çözelti içerisine iki elektrot daldırılıp, bu hücreye
dıştan bir akım uygulayarak elektrotlarda kimyasal reaksiyonlar meydana getirilmesi
olayına elektroliz denir. Elektrolizin meydana gelmesi için, hücreye anot ve katot
denge potansiyellerinin toplamından daha büyük potansiyelde bir gerilimin
uygulanması gerekir. Su içerisine redoks katalizör, değişik mikroorganizmalar
51
katılarak güneş ışığı yardımıyla oluşan kimyasal reaksiyon sonucunda hidrojen
elde edilir [34].
Şekil 2.29. Bir elektroliz hücresinde akım ve elektronların yönü
Hidrojen üretimi direkt olarak akımla orantılıdır. Saf su için bir elektroliz tipinde
hücre gerilimleri arasındaki ilişki; I akımı ve T sıcaklığında aşağıdaki formülde
verilmiştir[34];
⎡
⎛r ⎞ ⎤
V = ⎢a 0 + a1T + b. ln(T ) − ⎜ 0 ⎟ I ⎥ N S
⎝T ⎠ ⎦
⎣
(2.32)
Burada;
V : Gerilim
I : Akım
T : Sıcaklık
Ns : Elektroliz hücrelerinin sayısı
r0 : Hücrelerin iç direnci
A0, a1 ve b ise deneysel olarak sonuçlanan ve elektrolizin tipine bağlı olan
sabitlerdir.
Bu denkleme göre elektroliz devresinin akım- gerilim karakteristiği Şekil 2.30’da
gösterilmektedir.
52
Şekil 2.30. Elektroliz devresinin I-V karakteristiği
Elekrolizörün elektrik verimliliği (ηe);
ηe = ηi . ηv
(2.33)
olarak hesaplanır. Burada ηi akım verimliliği, ηv ise gerilim verimliliğidir.
Gerilim verimliliği;
ηV =
Vo
V
(2.34)
Akım verimliliği;
ηi =
C c .Vel
N s .I
(2.35)
Burada;
Vel
: Hidrojen üretim oranı
Cc
: Ddönüşüm sabiti
Vo
: Elektroliz reaksiyonları için terslenebilir gerilim
Buradan elektroliz elektrik verimliliği;
ηe =
C c .Vel V0
.
N s .I V
olarak hesaplanmaktadır.
(2.36)
53
2.6. Denetleyiciler
2.6.1. Şarj denetleyicisi ve şarj kontrolü tasarımı
Denetleyiciler şebekeden bağımsız FV sistemin zeminini oluşturmaktadır. Bütün güç
sistemlerinde sistemi oluşturan komponentlerin birbirleri arasındaki etkileşimin
kontrol stratejisi belirtilmelidir. Örneğin bataryanın depolama özellikleri şarj
kontrolü olarak tanımlanır. Şarj kontrolü, bataryalar ve yüklerin batarya
gerilimindeki depolama bilgileriyle ve batarya geriliminin uygun minimum ve
maksimum değerlerinin bilinmesiyle FV sistemin enerji akışını yönetir. Burada iki
ana çalışma modu mevcuttur [16]:
1) Batarya geriliminin minimum ve maksimum voltajları arasında yükselip
azalmasıyla oluşan normal çalışma durumu,
2) Batarya geriliminin kritik değerlerini aştığında oluşan aşırı şarj-aşırı deşarj
durumu.
2.6.1.1. Aşırı şarja karşı bataryanın korunması
Aşırı şarja karşı bataryanın korunması, terminal geriliminin belirli eşik geriliminden
(Vmax_off )
yükselmesi durumunda ve yük tarafından istenen akımın
FV
panellerinden gelen akımdan daha düşük olduğu durumda FV panellerin sistemden
bağlantılarının kesilmesiyle sağlanır. PV panelleri, terminal geriliminin belirlenen
Vmax_on değerine kadar artmasıyla yeniden sisteme bağlanır. Bu anahtarlama durumu,
hysterisis döngüsüyle Şekil 2.31’deki gibi gösterilebilir [16].
Şekil 2.31. Aşırı şarj korumasının çalışma prensibi
54
2.6.1.2. Aşırı deşarja karşı bataryanın korunması
Aşırı deşarja karşı bataryanın korunması, terminal gerilimi Vmin_off eşik geriliminden
daha aşağılara düştüğünde ve yük tarafından istenen akımın FV tarafından üretilen
akımdan çok daha büyük olduğu durumda yükün devreden çıkmasıyla sağlanır.
Terminal gerilimi belirlenen Vmin_on değerinin üzerine çıktığı zaman yük yeniden
devreye alınır. Bu anahtarlama durumu, hysterisis döngüsüyle Şekil 2.32’deki gibi
gösterilebilir [16].
Bu anahtarlama elektromekanik elemanlar (röle, bara vb.), bipolar transistorlar veya
MOSFET’lerle yapılabilir. Denetleyici kontrolü Çizelge 2.3’deki gibi adım adım
modellenmiştir.
Şekil 2.32. Aşırı deşarj korumasının çalışma prensibi
Çizelge 2.3. Denetleyicinin kontrol adımlarının özeti [16]
Kısıtlamalar
Durum kontrolü komutu
1
V>Vmax_off ve Iload<Ipv
PV panelleri sistemden çıksın
2
Komut 1 sona ermiş ve
V<Vmax_on
PV panelleri sisteme yeniden
bağlansın
3
V<Vmin_off ve Iload>Ipv
Yük sistemden çıksın
4
Komut 3 sona ermiş ve
V>Vmin_on
Yük yeniden sisteme alınsın
55
3. SİSTEMİN TASARIMI, MODELLEMESİ VE BENZETİMİ
Bu bölümde, ortalama bir konutun enerji gereksinimini güneşten ve yakıt
hücresinden sağlayan bir sistemin tasarımı yapılmakta, tasarlanan sistemin bileşenleri
tanıtılmakta, her bileşenin modeli incelenmektedir. Son olarak, tasarlanan sistemdeki
her bir birimin benzetim sonuçları incelenmektedir.
3.1. Şebekeden Bağımsız Güneş-Hidrojen Hibrit Sistemin Genel Modeli
Şebekeden bağımsız bir güneş-hidrojen karma sisteminin blok şeması Şekil 3.1’de
gösterilmektedir. Bu sistemde güneşten alınan enerji, fotovoltaik piller vasıtasıyla
elektrik enerjisine çevrilmekte ve bataryalarda depolanmaktadır. Konutun gereksinim
duyduğu sinüzoidal gerilim, batarya geriliminin uygulandığı eviriciden elde edilir.
Şekil 3.1. Şebekeden bağımsız güneş-hidrojen hibrit enerji sisteminin blok şeması
PV panelden sağlanan güç ve yükün ihtiyacı olan güç arasındaki ilişkiye göre
denetleyici vasıtasıyla yükün az olduğu zamanlarda bu üretilen enerjinin fazlalığı
akümülatörlerde ve akümülatör dolduğunda ise elektroliz vasıtasıyla hidrojen olarak
depolanacaktır. Gece güneş ışığının yetersiz olduğu veya üretilen gücün yükü
56
karşılamadığı zamanlarda enerji gereksinimi öncelikle bataryalarda depolanan
enerjiden karşılanır. Batarya geriliminin düşmeye başlaması durumunda ise yakıt
hücreleri devreye alınır ve depolanmış olan hidrojen bu hücrelerde elektrik enerjisine
dönüştürülür.
Sistem, 24 V veya 48 V DA barasına sahip olabilir. Güneş pillerinden alınan enerji,
bir MGNİ (Maximum Power Point Tracker) devresi yardımıyla bataryaya uygulanır.
Elektroliz devresi devreye alınacağı zaman, güneş pillerinin çıkışı başka bir DA/DA
devresi (Senkron Buck dönüştürücü) ile elektroliz aygıtına uygulanır. Yakıt
hücresinin devreye girmesi durumunda, bu hücrenin ürettiği DA gerilim yine bir
DA/DA dönüştürücü yardımıyla (Boost dönüştürücü) DA bara gerilimine
dönüştürülür.
3.2. Tasarımın Ankara’da Uygulanabilirliği
Şekil 3.2. Dünya yıllık güneşlenme potansiyeli haritası [5]
Şekil 3.2’de görüldüğü gibi ülkemiz yıllık ortalama günde 2,0-3,9 saat güneşlenme
potansiyeli olan bölgede bulunmaktadır. Buna göre ülkemiz için güneş enerjisi
kullanım koşullarının uygun olduğu görülmektedir. Çizelge 3.1’de ise Türkiye'nin
yıllık toplam güneş enerjisi potansiyelinin bölgelere göre dağılımı gösterilmektedir.
57
Çizelge 3.1. Türkiye'nin yıllık güneş enerjisi potansiyelinin bölgelere göre dağılımı [32]
Bölge
Toplam
ortalam
a güneş
enerjisi
kWh/m2
-yıl
En çok
güneş
enerjisi
(Haziran
)
En az
güneş
enerjisi
(Aralık)
Ortalama
güneşlen
me süresi
En çok
güneşlen
me süresi
(Haziran)
En az
güneşle
nme
süresi
(Aralık)
kWh/m2
kWh/m2
saat/yıl
saat
saat
Güneydoğu
Anadolu
1.460
1.980
729
2.993
407
126
Akdeniz
1.390
1.869
476
2.956
360
101
Doğu
Anadolu
1.365
1.863
431
2.664
371
96
İç Anadolu
1.314
1.855
412
2.628
381
98
Ege
1.304
1.723
420
2.738
373
165
Marmara
1.168
1.529
345
2.409
351
87
Karadeniz
1.120
1.315
409
1.971
273
82
Çizelge 3.1’de görüldüğü gibi toplam ortalama güneş enerjisinin en yoğun olduğu
bölge Güneydoğu Anadolu Bölgesi, en az olduğu bölge ise Karadeniz Bölgesidir. İç
Anadolu Bölgesinin de toplam ortalama güneş enerjisinin yüksek olduğu bölgelerden
birisi
olduğu
görülmektedir.
Dolayısıyla,
Ankara
bu
tür
bir
projenin
gerçekleştirilmesi için uygun niteliktedir.
3.3. Sistemin Tasarımı İçin Gerekli Güç İhtiyacının Tespit Edilmesi
Şebekeden bağımsız bir sistemin tasarımında ilk aşama güç gereksiniminin
belirlenmesidir. Bu tez kapsamında ortalama bir konutun enerji gereksiniminin
karşılanması öngörülmüştür. Tasarıma temel alınan konuttaki enerji tüketiminin
Çizelge 3.2’de belirtilen kalemlerde ve miktarlarda olduğu varsayılmıştır.
58
Çizelge 3.2. Sistemin tasarımı için gerekli güç ihtiyacı
Cihaz
Güç
(kW)
Aylık
Güç İhtiyacı
(kW-h)
Günlük
Harcanan
Güç
(kW-h)
1.2
36
Buzdolabı*
1.20
Günlük
Kullanım
Süresi
(Saat - h)
24
Çamaşır Mak.
0.50
0.5
0.25
7.5
Televizyon
0.08
6
0.48
1
Ütü
1.1
0.5
0.55
3.3
Fırın
2
0.2
0.4
3
Süpürge
1.8
0.5
0.9
5.4
Aydınlatma
0.15
5
0.75
18
TOPLAM
6.83
4.53
135.9
* Buzdolabının günlük toplam tüketim değeri kullanılmıştır.
3.3.1 Batarya hesapları
Çizelge 3.2’den yapılacak ilk çıkartım, bataryaların anlık olarak sağlaması gereken
güç değeridir. Batarya gerilimi 48 V olarak seçilirse, anlık olarak 6.83 kW gücün
bataryadan çekilebilmesi için, bataryanın akım değerinin en az;
I=
6.83
= 142.29 A
48
(3.1)
olması gerektiği anlaşılır. Bu değer, bundan böyle 150 A olarak kabul edilecektir.
Batarya gerilimi, bilindiği gibi, 12 V, 24 V, 48 V veya 96 V olabilir. Bu çalışmada
48 V seçilmesinin nedeni, bu değerin hem güneş pili hem de yaıt hücresi çıkışının
üzerindeki ilk değer olmasıdır. Aynı zamanda batarya gerilimi 48 V tutularak
sistemdeki DA akım değerlerinin düşük kalması sağlanmaktadır.
Kurulacak sistemin besleyeceği konutun, sisteme herhangi bir enerji girdisi olmadan
ne kadar süre ile enerjilendirilebileceği, tasarım için önemli bir parametredir.
Konutun bir gün süreyle hiçbir enerji girdisi olmadan beslenebilmesi için, sistemde
59
4.53 kW-h enerji depolanmış olması gereklidir. Kullanılacak bataryaların hesabı, bu
bilgiden yola çıkılarak yapılabilir. Ancak, tasarlanacak sistemde iki noktada enerji
depolanması söz konusudur. Bu çalışmada, depolanacak enerjinin bataryalarda ve
hidrojende eşit miktarda olmasına karar verilmiştir. Bu durumda bataryanın
depolaması gereken enerji miktarı 4.53/2 = 2.265 kW-h olarak kabaca hesaplanabilir.
Ancak, dikkate alınması gereken iki nokta daha vardır. Bunlar, bataryanın dolmaboşalma işlemleri sırasında kaybedilecek enerji ve bataryanın boşalma derinliğidir.
Batarya veriminin % 80 olduğu kabul edilirse, bataryaya doldurulması gereken enerji
E=
2.265
= 2.83 kW − h
0.8
(3.2)
olarak hesaplanır.
Bataryaların, belli bir derinliğin altına kadar boşaltılmaları sakıncalı olduğu için,
seçilecek bataryada bu sınırın 0.5 olması uygun görülmüştür. Bu da bataryada
depolanacak toplam enerjinin 5.66 kW-h olması demektir.
Batarya gerilimi 48 V olduğuna göre, bataryanın A-h kapasitesi
C=
5.66
= 117.9 A − h
48
(3.3)
olarak bulunur. Buna göre gereksinim duyulan batarya değerleri 48 V, 118 A-h
olarak elde edilmiştir. Bu niteliklerde bir batarya bankası, 4 adet 12 V, 150 A-h
batarya seri bağlanarak elde edilebilir.
60
3.3.2. Sistemde kullanılacak FV panel özelliklerinin seçimi
Sistemin günlük enerji gereksinimi 4.53 kW-h olarak hesaplanmıştı. Güneş pilleri ile
çıkış arasında bulunan cihazların verimleri dikkate alınarak bir giriş gücü
hesaplaması yapılmalıdır. FV panellerin arkasında kullanılacak dönüştürücünün ve
batarya çıkışında kullanılacak eviricinin verimleri % 95, batarya veriminin ise %80
olarak alınması durumunda giriş enerjisi
E in =
4,53
= 6.27 kW − h
0,95 * 0,8 * 0,95
(3.4)
olarak hesaplanır. Ankara’nın günde ortalama 3 saat güneş enerjisinden
yararlanabileceği düşünüldüğünde, anlık güç
P in =
6,27
= 2.09 kW
3
(3.5)
olarak hesaplanır.
Bu çalışmada, OST 85 Watt FV modüllerin kullanılmasına karar verilmiştir. Modül
sayısını bulmak için toplam güç gereksiniminin modül gücüne bölünmesi gereklidir.
n=
2090
= 24.5
85
(3.6)
Dolayısıyla, 24 adet FV panelin, kurulacak sistem için yeterli olacağı anlaşılmıştır.
OST 85 FV panellerde kullanılan hücrelerin teknik özellikleri Çizelge 3.3’te
verilmektedir. OST 85 panelinde, 36 adet hücre seri bağlanmıştır. Bu durumda tüm
panelin açık devre gerilimi 22 V civarında olmaktadır. Panel, Şekil 3.3’te
gösterilmektedir.
61
Çizelge 3.3. OST 85 monokristal silikon FV pilin teknik özellikleri [32]
OST 85 Monokristal Silikon FV pil
Monokristal silikon
Malzeme
125mm x 125mm ± 0.5 mm
Format
Kalınlık
260µm + 40 µm
%2-%4 Silver
Ön (-)
Siyah silikon hücre
Ön (-)
4.5 mm eninde lehim yastıklı (Ag-Al)
Arka (+)
Arka yüzey alanı (Al)
Arka (+)
0.606
Açık devre gerilimi (V)
4.89
Kısa devre akımı (A)
0.500
V (V) max
4.7
I (A) max
4.37
I (A) min
2.23-2.26 Watt
Pmax
% 15- % 15.24
Verim
Şekil 3.3. Sistemde kullanılan OST 85 monokristal FV panel
3.3.3. Seçilen FV modülün I-V karakteristiğinin elde edilmesi
Her ne kadar kullanılan panele ilişkin I-V karakteristiği üretici kuruluş tarafından
sağlanıyor olsa da, gerçek çalışma koşullarında panellerin nasıl bir karakteristiğe
sahip olduğunu belirlemek için bazı deneyler yapılmıştır. Bu deneylerde,
ayarlanabilir açılı bir sehpanın üzerine yerleştirilen FV modülün çıkışına değişken
bir yük bağlanmış ve değişik saatlerde, değişik açılarda denemeler yapılarak
modülün I-V karakteristikleri elde edilmiştir. Yapılan deneylerde sehpa açısından
yararlanarak ışınların geliş açısının hesaplanması, Şekil 3.4’e göre yapılmıştır.
62
Şekil 3.4. Güneş ışınlarının geliş açısının sehpa eğimi ile ilişkisi
Sehpanın yer ile yaptığı açı (β), sehpanın üst ucunun yere izdüşümünün, sehpa alt
ucuna mesafesi (d) ve sehpa yüksekliği (h) kullanılarak hesaplanabilir.
tan β =
h
d
(3.7)
Buradan da ışın geliş açısı
Ω = 90 − β
(3.8)
eşitliği ile hesaplanabilir.
26 Nisan 2007 tarihinde yapılan deneylerde farklı saatlerde ve açılarda ölçümler
yapılmıştır. Bu ölçümlerin koşulları ve ölçülen değerler EK-4’de verilmektedir.
Ölçüm sonuçları ise Şekil 3.5 ile Şekil 3.7 arasında verilmektedir. Deney gününde
hava koşulları nedeniyle öğle saatine doğru güneş ışınlarının şiddeti düşmüş ve
dolayısıyla aynı akımlarda daha düşük çıkış gerilimleri elde edilmiştir. En yüksek
enerji aktarımı da açının en yüksek değerinde gerçekleşmiştir. Açı düştüğü zaman
alınan enerjinin de düştüğü görülmektedir.
63
I-V karakteristiği (53 derece için)
25
Gerilim (V)
20
15
saat 9.45
10
saat 10.30
5
saat 11.20
0
0
1
2
3
4
5
Akım (A)
Şekil 3.5. Panel I-V karakteristiğinin zamanla değişimi (530 için)
I-V karakteristiği (42 derece için)
25
Gerilim (V)
20
saat 9.50
saat 10.25
15
10
saat 11.22
5
0
0
1
2
3
4
5
6
Akım (A)
Şekil 3.6. Panel I-V karakteristiğinin zamanla değişimi (420 için)
I-V karakteristiği (23 derece için)
Gerilim (V)
25
20
15
saat 10.35
10
saat 11.25
5
0
0
1
2
3
4
5
Akım (A)
Şekil 3.7. Panel I-V karakteristiğinin zamanla değişimi (230 için)
64
Benzer bir deney, kurulu olan paralel bağlı 24 FV panelin tümü üzerinde yapılmıştır.
Bu ölçümün sonuçları ve üçüncü dereceden uydurulan eğri
Şekil 3.8’de
görülmektedir.
Şekil 3.8. 24 adet OST-85 FV panelin I-V karakteristiği
Yapılan bu ölçümlere dayanarak güneş panellerinin basit bir modeli çıkartılabilir.
MATLAB ortamında eğri uydurma yöntemi kullanılarak, bir eğri için aşağıdaki
üçüncü dereceden eşitlik elde edilmiştir.
I = −0,08V 3 + 1,9V 2 − 14V + 130
(3.9)
Elde edilen eğri, benzetim çalışmaları sırasında güneş panellerini modellemekte
kullanılmıştır.
65
3.3.4. Yakıt pilinin I-V karakteristiğinin elde edilmesi
Kurulu sistemde bir adet Ballard Nexa 1.2 kW yakıt pili bulunmaktadır. Bu pilin
teknik özellikleri Çizelge 3.4’de verilmektedir.
Çizelge 3.4. Ballard Nexa 1.2 kW yakıt pilinin teknik özellikleri
Ballard Nexa 1,2 kW 19” Fuel Cell System Module
Net güç
DC gerilim aralığı
Gerilim sınıfı
Akım sınıfı
Saflık derecesi
Basınç
Hidrojen tüketimi
Elektronik akış metre sinyali
1,2 kWatt
22-50 Volt
26 V
46 A
≥%99,99 H2 (4.0)
0,7-17 bar
Max. 18,5 slpm
0-5 V DC
Yakıt pilinin I-V karakteristiklerini elde etmek için yapılan deneyin verileri Çizelge
3.5’de verilmektedir. Bu veriler yardımıyla elde edilen karakteristik ise Şekil 3.7’de
görülmektedir. Deneyde kullanılan kademeli direnç yükü, güneş panellerinin
ölçümünde kullanılan ile aynı olduğundan direnç değerleri tekrar verilmemektedir.
Çizelge 3.5. Yakıt pilinin ölçülen akım-gerilim değerleri
Akım (Amper)
1
1,4
1,95
2.5
4
11,9
19,4
27,9
38
49
Gerilim (Volt)
40,4
39,2
38,5
37,8
36,3
32,4
29,5
27,2
25
23
66
Şekil 3.9. Yakıt pilinin I-V karakteristiği
Şekil 3.10. Yakıt pilinin I-V karakteristiğinin eğri uydurma metodu ile çözümü
MATLAB ortamında eğri uydurma yöntemi kullanılarak, bir eğri için Eş.3.8’deki
üçüncü dereceden eşitlik elde edilmiştir.
67
V = −0,00019i 3 + 0,021i 2 − 0,9i + 40
(3.10)
Elde edilen bu eğri denklemi, benzetim çalışmalarında yakıt hücresini modellemek
için kullanılmıştır.
3.4. Denetleyici Tasarımı
Sistemin ana denetleyicisi, güneş panellerinden gelen güce, depolanmış enerji
kapasitesine ve yükün anlık güç gereksinimine göre sistemin hangi birimlerinin
devrede olacağına karar verir. Sistemin normal çalışması, güneş pillerinden gelen
enerjinin yük için yeterli olması durumudur. Bu durumda, fazla enerji bataryayı
doldurmakta kullanılır. Ancak bataryanın aşırı dolumunu engellemek için batarya
gerilimi belli bir düzeye ulaştıktan sonra, fazla enerji elektroliz işleminde kullanılır.
Güneş pillerinden gelen enerjinin yük için yetersiz olması durumunda ise, gereken
miktar bataryadan sağlanır. Ancak bu durumun uzun sürmesi batarya gerilimini sınır
değerin altına düşüreceğinden, sınır değere ulaşılması durumunda yakıt hücresi
deveye girer.
FV panelden gelen enerjiyle batarya doldurulduktan sonra elektroliz işlemine geçiş
ve elektroliz işleminin sonlandırılması, Şekil 3.11’de gösterildiği gibi histerezisli bir
döngü ile gerçekleştirilir. Bataryanın dolduğu, bara geriliminin 52 Volt’a ulaşmasıyla
anlaşılır ve elektroliz başlar. Elektroliz işleminin başlaması üzerine bara gerilimi
düşmeye başlayabilir. Ancak, elektroliz işlemine bara gerilimi 50 V değerine düşene
kadar devam edilir.
68
Şekil 3.11. Elektroliz sisteminin devreye giriş ve çıkış geçişleri
Yükün ihtiyaç duyduğu gücün FV panel tarafından üretilen güçten daha fazla olması
durumunda batarya ile üretilen enerji yetersiz kalmakta ve yakıt hücresi tarafından
hidrojen elektrik enerjisine dönüştürülerek yükü beslemek için kullanılmaktadır.
Yakıt hücresinin devreye giriş ve devreden çıkış işlemi de benzer bir histerezis geçişi
ile gerçekleştirilir. Bu geçişler Şekil 3.12’de gösterilmektedir. Yükün beslenmesi için
bataryaya yüklenildiğinde batarya gerilimi düşmeye başlar. Batarya gerilimi 49 V
değerinin altına indiğinde artık yakıt hücresinden destek alınması gereklidir. Yakıt
hücresinin devreye girmesi ile batarya yükten kurtulur ve yüklenme düzeyine göre
gerilimi sabit kalabilir veya güneş panelinden gelen enerjide artış olursa, gerilim
artmaya başlayabilir. Bu artış sonucu bara gerilimi 51 V değerine ulaşırsa yakıt
hücresi devreden çıkartılır.
Şekil 3.12. Yakıt hücresinin devreye giriş ve çıkış geçişleri
69
3.5. Sistemin Çalışma Kiplerinin Belirlenmesi ve Benzetim Sonuçları
Tasarlanan denetim devresinin çeşitli çalışma koşullarındaki davranışı, yapılan bir
benzetim çalışması ile incelenmiştir. Bu çalışma için tüm sistemin SIMULINK
ortamında modeli çıkartılmıştır. Model, Şekil 3.13’de gösterilmektedir. Modelde
kullanılan her bir blok, EK-3’de ayrıca ayrıntılı olarak verilmektedir.
Şekil 3.13. Tasarlanan sistemin SIMULINK ortamındaki modeli
Sistem genel hatlarıyla şu biçimde çalışmaktadır: Güneş panelinden gelen enerji,
MGNİ yazılımı ve Yükselten DA/DA dönüştürücü denetimi modeli içeren bir blok
yardımıyla bataryayı doldurmakta kullanılmaktadır. Batarya çıkışından, Darbe
Genişlik Modülasyonu denetimi içeren bir evirici ile yüke uygulanacak 220 V, 50 Hz
sinüs gerilimi üretilmektedir. Batarya, büyük bir kondansatör olarak modellenmiştir.
Ancak, bu kondansatörün kapasite değeri, benzetim çalışmalarının hızı açısından
olması gerekenden daha küçük tutulmuştur.
Denetleyici yükün ve güneş pilinden gelen enerjinin değerlerine göre elektroliz
devresinin veya yakıt hücresinin devreye girip çıkmasına karar vermektedir. Bu karar
verme mekanizması, temel olarak batarya geriliminden yararlanmaktadır.
70
Güneş paneli modeli içerisine, deneysel çalışmalardan elde edilen iki ayrı
karakteristiğin, MATLAB aracılığıyla uydurulmuş eğrileri gömülmüştür. Çalışma
kiplerinden birinde, güneş ışınlarının azalması nedeniyle karakteristikler arası geçiş
olması durumu incelenmiştir.
Yakıt hücresi modeli olarak da yine deneylerden elde edilen karakteristiğin
uydurulmuş eğrisi kullanılmıştır.
Söz
konusu
incelenen
durumlar
amaçları
ile
birlikte
Çizelge
3.6’da
ayrıntılandırılmıştır.
Çizelge 3.6. Sistemin incelenecek olan çalışma kipleri
Çalışma
Amaç
Kipi
Bara
Başlangıç
Gerilim
Değeri
Sistemin
Çıkış Gücü
Yakıt hücresinin devrede olduğu anda
I
farklı ışık şiddetlerinin MGNİ’nin ve
sistemin çalışması üzerine etkisinin
48V
1800W
PFV > Pyük
gözlemlenmesi
II
III
IV
V
Yakıt hücresinin devreden çıktığı andaki
durumları gözlemlemek
Hidrojen üretiminin başladığı andaki
durumları gözlemlemek
Hidrojen üretiminin sona erdiği andaki
durumları gözlemlemek
Yakıt hücresinin devreye girdiği andaki
durumları gözlemlemek
50,99V
51,995V
50,4V
49,1V
1000W
PFV > Pyük
500W
PFV > Pyük
4000W
PFV < Pyük
4000W
PFV < Pyük
71
Kip-I çalışma durumu:
Bu çalışma modunda bara gerilimi sınır olarak verilen 49V’dan düşük (48V) olduğu
için FV panel ve yakıt hücresi devrede olacaktır. Ayrıca yükün çektiği güç (1800W),
üretilen güçten (Pgiriş=PFV+PFC=1500+1200=2700W) düşük olduğu için, batarya
gerilimi de yavaşça yükselecektir. Bu süreçte sistemin yapısı Şekil 3.14’de
görüldüğü gibi olacaktır.
Şekil 3.14. Sistemin kip I’deki çalışma durumu
İlk kipin incelenmesi sırasında, güneş pillerine gelen ışık şiddetinde değişiklik
olduğu varsayılmıştır. Şekil 3.15 ve 3.16, bu iki ışık şiddetine göre karakteristiğin ve
güç-akım eğrisinin aldığı şekilleri göstermektedir. MGNİ bloğunun her iki durumda
da maksimum güç çekilecek biçimde akımı ve gerilimi ayarlaması beklenmektedir.
Panel ilk ışık şiddetine maruzken panelden maksimum güç olan 1500 W
çekilebilmesi için panel akımının yaklaşık 70 A olması gerektiği Şekil 3.15’de
görülmektedir. Sistem çalıştıktan 100 ms sonra FV panelin aldığı ışığı azaldığı ve
karakteristiğin değiştiği varsayılmıştır. Bu durumda da yeni maksimum güç 1000 W
ve bu gücün elde edildiği akım yaklaşık olarak 45 A olacaktır.
72
a)
b)
Şekil 3.15. İlk ışık şiddeti için a) güneş pili I-V karakteristiği ve b) güç-gerilim
eğrisi
a)
b)
Şekil 3.16. İkinci ışık şiddeti için a) güneş pili I-V karakteristiği ve b) güç-gerilim
eğrisi
Şekil 3.17-21, 1. Kip’in çalışmasını gösteren çizimleri içermektedir. Her iki ışık
şiddeti durumunda da MGNİ devresi güneş pilinden maksimum çıkış gücünün (önce
1500 W, sonra 1000 W) çekilmesini sağlamaktadır (Şekil 3.17).
73
Şekil 3.17. Işık şiddeti değişiminin fotovoltaik panelin çıkış gücüne etkisi
100 ms’de FV panelin çıkış gücü 1500 W’dan 1000 W’a aniden düşmektedir. Bu
durumda yakıt hücresinin çıkış gücü bir miktar artmaktadır (Şekil 3.17). Ancak, bu
artış fazla değildir çünkü zaten yakıt hücresi anma değerinde çalışmaktadır.
Şekil 3.19 hidrojen üretme durumunu göstermektedir. Yakıt hücresi devrede olduğu
için hidrojen üretimi yoktur ve bunu gösteren değişkenin değeri sıfırdır.
Şekil 3.18. Işık şiddeti değişiminin yakıt hücresi çıkış gücüne etkisi
74
Şekil 3.19. Işık şiddeti değişiminin hidrojene etkisi
Yakıt hücresi ve güneş pilinden gelen toplam güç çıkış gücünden büyük olduğu için,
fazla
enerji
batarya gerilimini
arttırmaktadır. Bu değişim Şekil 3.20’de
görülmektedir.
Şekil 3.20. Kip I’te bara geriliminin değişimi
Şekil 3.20’de görüldüğü gibi ışık şiddetinin düştüğü andan itibaren bara geriliminin
artışının eğimi azalacaktır. Çünkü FV panelin ürettiği güç 500W azalarak yükün
ihtiyacı olan güç (1800W) ile FV panel+yakıt hücresinin beraber ürettiği güç
(1000+1200=2200W) arasındaki fark da azalmıştır.
Şekil 3.21, çıkış akım ve gerilimlerini göstermektedir. Evirici, sistem girişindeki
değişikliklerden bağımsız olarak çıkışa istenilen akım ve gerilimi sağlayabilmektedir.
75
Şekil 3.21. Işık şiddeti değişiminin çıkış a) akımına b)gerilimine etkisi
Kip-II çalışma durumu
Bu çalışma kipinde başlangıçta yakıt hücresinin devrede olduğu ve bara geriliminin
yavaş yavaş artarak 51 V sınır değerine yaklaştığı varsayılmıştır. Bara gerilimi 50.99
V değerinden başlatılmış ve sınır değeri geçişi sırasında denetim sisteminin tepkisi
incelenmiştir. Yükün çektiği güç 1000W olarak ayarlanmıştır. Bara gerilimi 51 V
eşiğini geçince ise yakıt hücresi devreden çıkacak ve devre Şekil 3.22’de görülen
yapıya bürünecektir.
Şekil 3.22. Sistemin kip II’de yakıt hücresi devreden çıktıktan sonraki durumu
76
Başlangıçta bara gerilimi 50.99 V olup yakıt hücresi devrededir. Bara gerilimi Şekil
3.24’de görüldüğü gibi yavaşça artacak ve belli bir noktada (100 ms) 51 V eşiğini
geçecektir. Bu anda yakıt hücresi devreden çıkacaktır. Bu değişim anından sonra
yakıt hücresinin akımı düşmeye başlayarak sıfıra inecek (Şekil 3.23a), yakıt hücresi
gerilimi artmaya başlayarak 42V’a kadar çıkacak (Şekil 3.23b), ürettiği güç de
1200W’dan sıfıra doğru inecektir (Şekil 3.23c).
Şekil 3.23. Kip II süresince yakıt hücresinin davranışı: a) dönüştürücü çıkış akımı,
b) yakıt hücresinin çıkış gerilimi, c) yakıt hücresinin ürettiği güç
Bara geriliminin artma eğimi, Şekil 3.24a’da görüldüğü gibi 100 ms’den sonra yakıt
hücresi devreden çıktığı için bir düşecektir. Bara gerilimi elektroliz başlama sınırı
olan 52V’a ulaşmadığı için elektroliz işlemi başlamayacak ve hidrojen üretimi
olmayacaktır (Şekil 3.24b).
77
Şekil 3.24. Kip II süresince a) bara gerilimi b) hidrojen üretim durumu
Kip-III çalışma durumu
Bu çalışma modunda başlangıçta giriş gücünün yük gücünden yüksek olduğu ve
dolayısıyla batarya geriliminin yavaşça yükselerek 52 V sınır değerine ulaştığı
elektroliz devresinin devreye girdiği çalışma durumu incelenmiştir. Bunun için güneş
panelinden gelen güç 1000 W, yükün çektiği güç 500W olarak ayarlanmış, bara
geriliminin başlangıç değeri 51.995V alınmıştır. Bu sürecin sonunda sistemin yapısı
Şekil 3.25’de görüldüğü gibi olacaktır.
Şekil 3.26, yük akım ve gerilimlerini göstermektedir. Evirici yine görevini
yapmaktadır.
Şekil 3.25. Sistemin kip III’deki çalışma durumu
78
Şekil 3.26. Kip III süresince a) yükün çektiği akım, b) yük gerilimi
FV panel tarafından üretilen gücün yük tarafından ihtiyaç duyulan güçten fazla
olması nedeniyle batarya gerilimi artmakta ve 132 ms’den sonra 52V’u geçmektedir.
Bu andan itibaren elektroliz başlamaktadır. Şekil 3.27 bu değişimleri göstermektedir.
Elektroliz
işleminin
varlığı,
hidrojen
üretim
işaretinin
yükselmesiyle
gösterilmektedir. Elektroliz için harcanan güç 25 W civarındadır. Bu değer, istenirse
değiştirilebilir. Değer düşük tutulduğu için enerji fazlalığı devam etmekte batarya
gerilimi de, daha küçük bir eğimle de olsa, yükselmesini sürdürmektedir.
Şekil 3.27. Kip III süresince a) hidrojen üretimi durumu, b) elektroliz devresinin
harcadığı güç
79
Bu kip boyunca bara geriliminin değişimi Şekil 3.28a’da gösterilmektedir. Yakıt
hücresinden enerji çekilmediği için çıkış akımı sıfırdır. Akım ve gerilimdeki küçük
salınımlar yakıt hücresinin çıkışındaki süzgeçten kaynaklanmaktadır.
Şekil 3.28. Kip III süresince a) bara gerilimi, b) yakıt hücresinin ürettiği akım
Kip-IV çalışma durumu
Bu çalışma modunda başlangıçta elektroliz devresinin çalıştığı, bu arada batarya
geriliminin düşmeye başladığı ve sonuçta 50V sınır değerine ulaşarak elektrolizin
sonlandırıldığı durum incelenmiştir. Bunun için, elektroliz başladıktan sonra yükün
çektiği gücün 4000 W’a çıkarak üretilen gücü aştığı varsayılmıştır (Şekil 3.30).
Bataryanın başlangıç değeri de 50.4V olarak ayarlanmıştır. Bu sürecin sonunda
sistemin aldığı yapı Şekil 3.29’de görüldüğü gibi olacaktır.
Şekil 3.29. Sistemin kip IV sonundaki çalışma durumu
80
Şekil 3.30. Kip IV süresince a) yükün çektiği akım, b) yük gerilimi
Şekil 3.30, yük akım ve gerilim değişimlerini göstermektedir. Evirici, 220-V, 50-Hz
sinüs gerilimi üretebilmektedir.
FV panel tarafından üretilen gücün yük tarafından ihtiyaç duyulan güçten az olması
nedeniyle bara geriliminin azalarak 50V’u geçtiği andan itibaren (0.105 s) Şekil
3.31(a)’daki gibi elektroliz devresi devreden çıkacak ve hidrojen üretimi duracaktır.
Bu durumda elektroliz devresi Şekil 3.31(b)’de görüldüğü gibi devreden çıkış
anından itibaren aniden güç harcamasını durduracaktır.
Şekil 3.31. Kip IV süresince a) elektroliz devresinin harcadığı güç, b) hidrojen
üretimi durumu
81
Bara gerilimi, yükün çektiği güç üretilen güçten yüksek olduğu için Şekil 3.32
(a)’daki gibi zamanla azalacağından ve elektroliz devresinin harcadığı güç (25W
civarında) eğimi etkilemeyecek kadar küçük olduğu için eğimdeki fark belli
olmayacaktır. Yakıt hücresi, bara gerilimi düşerek sınır olarak verilen 49Volt’a
henüz ulaşmadığı için batarya yükün ihtiyacı olan gücü karşılayacak ve Şekil 3.32
(b)’de görüldüğü gibi devrede olmayacaktır.
Şekil 3.32. Kip IV süresince a) bara gerilimi, b) yakıt hücresinin ürettiği akım
Kip-V çalışma durumu
Bu çalışma modunda başlangıçta devrede olmayan yakıt hücresinin 49V olan batarya
sınır değerinden sonra devreye girmesi gözlemlenmektedir. Bunun için yükün çektiği
güç üretilen güçten daha yüksek olan 4000W değerine ayarlanmıştır. Bu nedenle,
bara gerilimi zamanla azalacaktır. Batarya geriliminin başlangıç değeri 49.1V olarak
alınmıştır. Bu süreç sonunda yakıt hücresi devreye girecek ve devrenin yapısı Şekil
3.33’de görüldüğü gibi olacaktır.
82
Şekil 3.33. Sistemin kip V’deki çalışma durumu
Şekil 3.34’den görüldüğü gibi, bara gerilimi zamanla azalarak sınır gerilimi 49
Volt’a inecektir. Bu anda FV panele takviye olarak yakıt hücresi devreye girecektir.
Yakıt hücresi devreye girince 24A değerinde bir akım sağlamaktadır. Bara gerilimi
50 V’dan düşük olduğu için elektroliz işlemi gerçekleşmeyecektir. Şekil 3.34c,
elektroliz işleminin olmadığından hidrojenin üretilmediğini göstermektedir.
Şekil 3.34. Kip V süresince a) bara gerilimi, b) yakıt hücresinin ürettiği akım,
c) hidrojenin üretilme durumu
Şekil 3.35 de yine yakıt hücresinden gelen akım, gerilim ve güç değerlerini
göstermektedir. Yakıt hücresi devreye girdikten sonra hücre akımı yükselmeye
başlayarak 24A’e çıkacak (Şekil 3.35a), gerilimi azalmaya başlayarak 0V’a kadar
83
düşecek (Şekil 3.35b), ürettiği güç de sıfırdan 1200W’a doğru yükselecektir (Şekil
3.35c).
Şekil 3.35. Kip V süresince yakıt hücresinin a) akımı, b) gerilimi, c) gücü
Şekil 3.36. Kip V süresince bara gerilimi (Vdc)
Bara gerilimi yükün çektiği güç üretilene göre daha fazla olduğu için zamanla
azalacak, ancak bu artışın eğimi yakıt hücresinin devreye girdiği andan itibaren Şekil
3.36’daki gibi azalacaktır.
84
4. SONUÇ
Son yıllarda çevre ve sağlık sorunlarının hızlı bir şekilde artması ile doğru orantılı
olarak temiz ve yenilenebilir enerji kaynaklarına olan ihtiyaçları da hızlı bir şekilde
artmaktadır. Bu nedenle gelişmiş ülkeler özellikle güneş ve hidrojen enerjisinden
elektrik üretimi için araştırma ve gelişmelere önemli bütçeler ayırmaktadır.
Bu çalışmada, ortalama bir konutun gereksimi olan elektrik enerjisini yenilenebilir
kaynaklardan sağlayabilecek bir güç sisteminin tasarımı yapılmış ve denetimi
incelenmiştir. İncelemeler, Gazi Üniversitesi Temiz Enerji Araştırma ve Uygulama
Merkezi (TEMENAR) tarafından geliştirilen sistemi esas almıştır. Konutun güç ve
enerji gereksimi hesaplandıktan sonra gerekli panel ve batarya değerleri
belirlenmiştir. Ayrıca, enerji depolama amacıyla hidrojen kullanımı öngörülmüş,
sisteme hidrojen üretmek için elektroliz cihazı, hidrojeni yakmak için ise yakıt
hücresi eklenmiştir. Enerjinin yarısının bataryalarda yarısının da hidrojen içerisine
depolandığı varsayılmıştır.
Sistemin modeli SIMULINK yazılımı ile oluşturulmuş ve çeşitli çalışma kipleri için
sistemin davranışı incelenmiştir. Yük gereksinimi ve güneş panelinden gelen güç
değerlerinin değişik durumları için denetleyicinin tepkisi incelenmiştir. Sonuçlar,
denetleyicinin istenen biçimde tepki vererek gereken durumlarda elektrolizi başlatıp
durdurduğunu, gereken durumlarda ise yakıt hücresini devreye aldığını veya
çıkardığını, güneş ışınlarının şiddetinin değişmesi durumunda MGNİ devresinin,
panel gücünü maksimum yapacak biçimde çalıştığını, dolayısıyla, öngörülen
sistemin bu amaçla kullanılabileceğini göstermiştir.
Çalışmada oluşturulan model, elektroliz modelinin eklenmesiyle daha gerçekçi bir
yapıya büründürülebilir. Ayrıca, güneş pili, ışık miktarını girdi alacak biçimde
düzenlenebilir ve gelen ışığa göre karakteristiğin değişiminin hesaplanabileceği bir
yapıya büründürülebilirse, denetim devresinin çalışması çok daha kapsamlı olarak,
gerçekçi koşullarda incelenebilir. Yakıt hücresi modeli, maksimum güç verecek
85
biçimde değil gereksinime göre güç verecek biçimde modellenebilir. Son olarak,
devrenin kurulup denenmesi ile çalışmanın öngörüleri kanıtlanabilir.
Ülkemizin de, güneş enerjisinden ve hidrojen enerjisinden yararlanma konusundaki
yarışta geri kalmaması gerekir. Çünkü ülkemiz; güneş kuşağı denilen bölgede ve üç
tarafı denizlerle çevrili olmasından dolayı güneş ve hidrojen enerjisinden yoğun
şekilde faydalanabilecek konumda bulunmaktadır. Ülkemizin bu iki özelliği,
yenilenebilir enerjilerin teknolojik uygulamalarında büyük bir üstünlük sağlayabilir.
Dengeli bir kalkınmanın, temiz ve tükenmez enerji kaynaklarına dayalı olacağı
unutulmamalıdır. Bu nedenle yenilenebilir enerji kaynaklarını kullanımı için gerek
akademik gerekse ticari uygulamalara hız verilmesi gerekmektedir.
86
KAYNAKLAR
1.
Bockris, J.O., “ Energy: The Solar-Hydrogen Alternative”, Australia and New
Zelland Book Co., Sydney, 125-357 (1970).
2.
İnternet: Institute for Energy Technology “Advanced Energy Systems”
http://wiki.ife.no/renewable/advanced/about (2007).
3.
Veziroğlu, T.N., Derive, C., Pottier, J., “Solar-Hydrogen Demonstration Plant
in Neunburg Vorm Wald”, Hydrogen Energy Progress IX, M.C.I., Paris,
2:677-686 (1992).
4.
Winter, C.J., Fuchs, M., “HYSOLAR and Solar-Wasserstoff-Bayern”,
Int.J.Hydrogen Energy, 16:723-734 (1991).
5.
İnternet:
Wikipedia
“Güneşten
Elde
Edilebilecek
Enerji”,
http://tr.wikipedia.org/wiki/gunes_enerjisi#gunesten_elde_edilebilecek_enerji
(2007).
6.
İnan, D., “Güneşimizi Tanıyalım”, Temiz Enerji Vakfı Yayınları, Ankara, 1214 (2001).
7.
İnternet: Elektrik İşleri Etüt İdaresi “Güneş
http://www.eie.gov.tr/turkce/gunes/tgunes.html (2007).
8.
Oğuz, A.E., “Hidrojen Yakıt Pilleri ve PEM Yakıt Pilinin Analizi”, Yüksek
Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 14-19 (2006).
9.
Wai, R.J., Duan, R.Y., “Hybrid Clean-Energy Power-Supply Framework”,
Yuan Ze University, Tayvan, 797-965 (2005).
10.
Koutroulis, E., Kalaitzakis, K., Voulgaris, N.C., “Development of a
Microcontroller-Based, Photovoltaic MPPT Control System”, IEEE
Transactions on Power Electronics, 16:1 (2001).
Enerjisi
Şubesi”
11. İnternet: Rise Solar Systems “Stand-Alone Power Supply (SPS) System
Module 3” http://www.rise.org.au/info/Education/SAPS/sps003.html (2007).
12. Rashid, M.H., “Power Electronics-Circuits, Devices and Applications”,
Pearson Education, Third Edition, USA, 232-237 (2004).
13. Altaş, İ.H., “Fotovoltaj Güneş Pilleri :Yapısal Özellikleri ve Karakteristikleri”,
Bileşim Yayıncılık, İstanbul, 47:66-71 (1998).
14. Yıldız, M., “Fotovoltaik Pil ve Modüllerin Simülasyonu ve Performans Analizi”,
Yüksek Lisans Tezi, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Sakarya, 58 (2002).
87
15. Çetinkaya, H.B., “Güneş Enerjisinden Elektrik Elde Edilmesi”, Yüksek
Lisans Tezi, Kocaeli Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Kocaeli, 130-134
(2001).
16. Hansen, A.D., Sorensen, P., Hansen, L.H., Bindner, H., “Models for a StandAlone PV System”, Risø National Laboratory, Roskilde, 893-896 (2000).
17. Fıratoğlu, Z.A., Yeşilata, B., “Lineer Elektriksel Yüke Bağlı Pv Panellerin
Optimizasyonu Ve Bölgesel Uygulanabilirliğinin Araştırılması”, Havacılık ve
Uzay Teknolojileri Dergisi,1-1 (2003).
18.
Demir, A.H.., Sazak, N., Yıldız, M., “A Study of Silicon Solar Cells and Modules
Using P-Spice Reflections and Power Supply Design”, 2nd International
Conference Electirical and Electronics Engineering (ELECO’2001)
Proc.Electric-Control, Bursa, 188-191 (2001).
19.
Veziroğlu, T.N., Barbir, F., “ Hydrogen Energy Technologies” , UNIDO, 5-47,
Vienna (1998).
20. İnternet: Yıldız Teknik Üniversitesi Güneş Enerjili Sistemler Kulübü,
“Hidrojen Enerjisi”, http://www.gesk.yildiz.edu.tr, İstanbul (2007).
21.
Yıldızbilir, F., “Yakıt Pili İle Elektrik Enerjisi Üretimi”, Yüksek Lisans Tezi,
Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Elazığ, 24-26(2006).
22.
Hui, S.Y., Shrivastava, S., Yash, S., Tse, K.K., Chung, H., Shu, H., “A
Comparison of non Deterministic and Deterministic Switching Methods for DADA Power Converters”, IEEE Transactions on Power Electronics, 1046-1111
(1998).
23.
Mohan, N., Gökaşan, M., Boğosyan S., “Güç Elektroniği, Çeviriciler,
Uygulamalar ve Tasarım”, Literatür Yayınları, İstanbul, 185-195 (2003).
24.
Dell, R.M., Rand, D.A.J., “Understanding Batteries, Atomic Enery Research
Establisment”, Harwell UK and CSIRO Energy Technology, Australia, 44-50
(2001).
25. Mayer, D., Biscaglia, S., “Modelling and analysis of lead acid battery
operation, in proceeding of conference” INTELEC, 2:23-26, (1989).
26. Woodworth,J.R., Thomas, M.G., Stevens, J.W., Harrington, S.R., Dunlop,
J.P., Swamy, M.R., “Evalution of the batteries and charge controllers in
small stand-alone Photovoltaic Systems”, IEEE First World Conference on
Photovoltaic Energy Conversion, Hawai, 913-958 (1994).
27. Patel, M.R., “ Wind and Solar Power Systems”, US Merchant Marine
Academy, New York, 229-261 (1999).
88
28. Willner, I., Steinberger, B., “Solar Hydrogen Production Through Photo
Biological”, Int.J.Hydrogen Energy, 13:593-604 (1998).
29.
Woyte, A., Belmans, R., Mercierlaan, K., Nijs, J., “Islanding of Grid-Connected
AC Module Eviricis”, Proc. of the 28th IEEE PVSC, Alaska, 1383-1386
(2000).
30. Nizam, O., “Güneş Enerjisi Sistemlerinde Maksimum Güç Transferi” Yüksek
Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul,
27-66 (2004).
31.
Castaner, L., Aloy, R., Carles, D., “PV System Simulation Using Standart
Electronic Circuit Simulator”, Progress in Photovoltaics, 239-291 (1995).
32. Varınca, K.B., Gönüllü, M.T., “Türkiye’de Güneş Enerjisi Potansiyeli ve Bu
Potansiyelin Kullanım Derecesi, Yöntemi ve Yaygınlığı Üzerine Bir
Araştırma”, UGHEK’2006: 1. Ulusal Güneş ve Hidrojen Enerjisi Kongresi,
İstanbul (2006).
33. Choi, W., Enjeti, P.N., Howze J.W., “Development of an Equivalent Circuit
Model of a Fuel Cell to Evaluate the Effects of Inverter Ripple Current”, IEEE,
Texas, 4:355-361 (2004).
34. Şahin, M.E., “Senkron Buck Dönüştürcü ile Elektroliz Olayının
Gerçekleştirilmesi”, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri
Enstitüsü, Ankara, 9-14 (2006).
35. Appleby, A.J., Foulkes, F.R, “Fuel Cell Handbook”, EG&G Services Parsons,
National Energy Technology Laboratory, Fifth Edition, West Virginia, 284-352
(2000).
89
EKLER
90
EK-1 OST-85 monokristal güneş paneli
Resim 1.1. OST-85 monokristal güneş paneli
Çizelge 1.1. OST-85 monokristal güneş panelinin genel özellikleri
Çizelge 1.2. OST-85 monokristal güneş panelinin teknik özellikleri
91
EK-1 (Devam) OST-85 monokristal güneş paneli
Şekil 1.1. OST-85 monokristal güneş panelinin performasyonu
Şekil 1.2. OST-85 güneş panelinin akım-gerilim eğrisi ve spektral cevabı
92
EK-2 Ballard Nexa 1.2kW yakıt pili
Şekil 2.1. Ballard Nexa 1.2kW yakıt pilinin ana yapısı
93
EK-2 (Devam) Ballard Nexa 1.2kW yakıt pili
Resim 2.2. Ballard Nexa 1.2kW yakıt pili eğitim seti
94
EK-2 (Devam) Ballard Nexa 1.2kW yakıt pili
Resim 2.3. Ballard Nexa 1.2kW yakıt pili eğitim sisteminin teknik özellikleri
95
EK-3 Benzetimde kullanılan MATLAB-SIMULINK modelleri
Şekil 3.1. Benzetimin ana modeli
Şekil 3.2. FV panel modeli
96
EK-3 (Devam) Benzetimde kullanılan MATLAB-SIMULINK modelleri
Şekil 3.3. MGNİ ve yükselten dönüştürücü modeli
Şekil 3.4. Bara modeli
97
EK-3 (Devam) Benzetimde kullanılan MATLAB-SIMULINK modelleri
Şekil 3.5. Batarya modeli
Şekil 3.6. Evirici modeli
98
EK-3 (Devam) Benzetimde kullanılan MATLAB-SIMULINK modelleri
Şekil 3.7. Elektroliz devresinin modeli
Şekil 3.8. Yakıt hücresi modeli
99
EK-3 (Devam) Benzetimde kullanılan MATLAB-SIMULINK modelleri
Şekil 3.9. DA-DA yükselten dönüştürücü modeli
Şekil 3.10. Güç kaynağı modeli
100
EK-4 FV modül ölçüm sonuçları
26 Nisan 2007 tarihinde FV modüll üzerinde 9 adet ölçüm yapılmıştır. Bu ölçümlerin
zamanları ve kullanılan ışın açısı değerleri Çizelge 4.1’de verilmektedir.
Çizelge 4.1. Ölçümlerin zamanları ve kullanılan ışın açısı değerleri
Ölçüm
Zaman
Açı(Derece)
1
09:45
53
2
09:50
42
3
09:55
39
4
10:25
42
5
10:30
53
6
10:35
24
7
11:20
53
8
11:22
39
9
11:25
23
Her bir ölçümde, panele bağlanan yük 10 basamaklı olarak değiştirilmiştir. Bu
basamaklardaki direnç değerleri Çizelge 4.2’de verilmektedir.
Çizelge 4.2 Deneylerde kullanılan direnç değerleri
Direnç (Ω)
R1
81,8
R2
40,5
R3
24,6
R4
12,3
R5
6,2
R6
3,1
R7
1,7
R8
1,2
R9
0,8
R10
0,6
101
EK-4 (Devam) FV modül ölçüm sonuçları
Ölçüm sonuçları Çizelge 4.3-11 arasında verilmektedir.
Çizelge 4.3. Ölçüm 1’in sonuçları
Ölçüm 1
Gerilim (V)
Akım (A)
R10
3,318
4,57
R9
4,17
4,53
R8
5,687
4,51
R7
8,26
4,45
R6
13,82
4,23
R5
17,63
2,79
R4
18,77
1,51
R3
19,27
0,78
R2
19,47
0,48
R1
19,61
0,23
Çizelge 4.4. Ölçüm 2’in sonuçları
Ölçüm 2
Gerilim (V)
Akım (A)
R10
3,44
4,76
R9
4,36
4,75
R8
5,96
4,73
R7
8,72
4,7
R6
14,4
4,42
R5
17,69
2,8
R4
18,74
1,51
R3
19,21
0,78
R2
19,39
0,48
R1
19,53
0,23
102
EK-4 (Devam) FV modül ölçüm sonuçları
Çizelge 4.5. Ölçüm 3’ün sonuçları
Ölçüm 3
Gerilim (V)
Akım (A)
R10
3,36
4,65
R9
4,24
4,64
R8
5,82
4,63
R7
8,48
4,59
R6
14,12
4,33
R5
17,59
2,79
R4
18,68
1,51
R3
19,16
0,78
R2
19,34
0,47
R1
19,49
0,23
Çizelge 4.6. Ölçüm 4’ün sonuçları
Ölçüm 4
Gerilim (V)
Akım (A)
R10
3,48
4,8
R9
4,29
4,7
R8
5,79
4,61
R7
8,29
4,5
R6
13,82
4,25
R5
17,49
2,77
R4
18,51
1,5
R3
18,99
0,77
R2
19,16
0,47
R1
19,31
0,22
103
EK-4 (Devam) FV modül ölçüm sonuçları
Çizelge 4.7. Ölçüm 5’in sonuçları
Ölçüm 5
Gerilim (V)
Akım (A)
R10
3,34
4,62
R9
4,19
4,58
R8
5,53
4,54
R7
8,29
4,44
R6
13,7
4,22
R5
17,5
2,78
R4
18,55
1,5
R3
19,03
0,77
R2
19,21
0,47
R1
19,36
0,22
Çizelge 4.8. Ölçüm 6’nın sonuçları
Ölçüm 6
Gerilim (V)
Akım (A)
R10
3,183
4,43
R9
4,003
4,4
R8
5,46
4,37
R7
7,91
4,29
R6
13,25
4,08
R5
17,32
2,75
R4
18,42
1,49
R3
18,91
0,77
R2
19,09
0,47
R1
19,23
0,22
104
EK-4 (Devam) FV modül ölçüm sonuçları
Çizelge 4.9. Ölçüm 7’nin sonuçları
Ölçüm 7
Gerilim (V)
Akım (A)
R10
3,3
4,58
R9
4,16
4,56
R8
5,662
4,51
R7
8,14
4,41
R6
13,42
4,13
R5
17,8
2,82
R4
18,88
1,53
R3
19,35
0,79
R2
19,52
0,48
R1
19,66
0,23
Çizelge 4.10. Ölçüm 8’in sonuçları
Ölçüm 8
Gerilim (V)
Akım (A)
R10
3,125
4,34
R9
3,53
4,32
R8
5,28
4,29
R7
7,79
4,22
R6
12,95
3,98
R5
17,71
2,81
R4
18,87
1,53
R3
19,36
0,78
R2
19,55
0,48
R1
19,69
0,23
105
EK-4 (Devam) FV modül ölçüm sonuçları
Çizelge 4.11. Ölçüm 9’ün sonuçları
Ölçüm 9
Gerilim (V)
Akım (A)
R10
2,67
3,73
R9
3,34
3,69
R8
4,518
3,6
R7
6,378
3,45
R6
10,51
3,22
R5
17,07
2,71
R4
18,68
1,51
R3
19,27
0,78
R2
19,49
0,48
R1
19,67
0,23
106
ÖZGEÇMİŞ
Kişisel Bilgiler
Soyadı, adı
: ÇAMCI (YILMAZ), Şerife
Uyruğu
: T.C.
Doğum tarihi ve yeri : 10.08.1981 Antalya
Medeni hali
: Evli
Telefon
: 0 (312) 245 3947
e-mail
: serifeyilmaz@hotmail.com
Eğitim
Derece
Eğitim Brimi
Mezuniyet Tarihi
Lisans
SDÜ-Elk.Hab.Müh.
2002
Lise
ŞAİK Lisesi
1998
Yıl
Yer
Görev
2004 -
Hava Kuvvetleri Komutanlığı
Subay
2002-2003
Özel Sektör
Sis.Müh.
İş Deneyimi
Yabancı Dil
İngilizce
Hobiler
Bilgisayar ve elektronik teknolojileri, spor, müzik, kitap okuma, seyahat etme