devre temelli fotovoltaik hücre modeli

DEVRE TEMELLİ FOTOVOLTAİK HÜCRE MODELİ
Murat ÜNLÜ
Sabri ÇAMUR
Birol ARİFOĞLU
Kocaeli Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi Elektrik Mühendisliği Bölümü
Umuttepe Yerleşkesi, 41380, Kocaeli
muratunlu@ kocaeli.edu.tr
[email protected]
Özet: Bu çalışmada, 80W gücündeki bir
FV(Fotovoltaik) panelin deneysel bilgilerinden
faydalanarak Matlab/Simulink ortamında devre
temelli FV hücre modeli oluşturulmuştur.
Oluşturulan model devre temelli olduğu için güç
elektroniği tasarımlarında kullanılması bakımından
yararlı olacaktır. Bu model, güneş hücresinin beş
parametre modeli olarak da bilinen tek-diyot iki
dirençli
eşdeğer
devresi
kullanılarak
oluşturulmuştur. Bu eşdeğer devredeki tek diyotun
doğrusal olmayan karakteristiğine yakın bir
karakteristik elde edebilmek için parçalı doğrusal
diyot modeli kullanılmıştır. Bu diyot modeli,
doğrusal karakteristiğe sahip birden fazla diyot ile
buna seri bağlı gerilim kaynağı ve ön dirençten
oluşan paralel kollar kullanılarak elde edilmiş ve
gerçek diyot karakteristiğine yaklaşılmıştır.
Son olarak elde edilen model kullanılarak FV
hücrenin farklı ışınımlar için akım, gerilim ve güç
değişimleri çıkarılmıştır.
Anahtar Kelimeler: FV Hücre, Matlab/Simulink
Model, Parçalı Doğrusal Diyot Modeli.
1. Giriş
Elektrik enerjisi üretimi için geleneksel enerji
kaynakları hidroelektrik, fosil yakıtlar ve nükleer
enerjidir. Dünya çapında sera gazları emisyonunun
artması ve fosil yakıtların hızla tükenmesi
yenilenebilir enerji kaynaklarına olan ilgiyi
artırmıştır. Bu kaynaklar arasında en popüler
olanlardan biri fotovoltaik (Güneş enerjisi)
kaynaklardır. FV sistem güneş ışınımından elektrik
enerjisi elde etmek için kullanılmaktadır. FV
sistemin en temel parçası FV hücrelerdir. Bu sistem
en temelden genele doğru FV hücre, modül, panel
ve FV dizin olarak sıralanmaktadır.
Literatürde FV hücre modeli için çeşitli
yaklaşımlarda bulunulmuştur: Tek diyot ve tek
direnç, tek diyot ve iki direnç, iki diyot ve iki direnç
eşdeğer devre temelli modeller mevcuttur
[1,2,3,4,5]. Tek diyotlu olan model üssel, iki
diyotlu olan model çift üssel model olarak da
geçmektedir. Tek diyotlu olan model, tek üssel
ifade içerdiğinden, iki diyotlu modele göre daha
basit yapıda olduğundan dolayı simülasyon
çalışmaları için daha geniş bir kullanıma sahiptir,
[email protected]
fakat iki diyotlu olan model daha doğru sonuç
vermekle birlikte çift üssel ifade içerdiğinden
dolayı sıcaklık ve ışınımla değişen parametrelerin
hesaplanması daha zor olmaktadır [6]. Bu
çalışmada Şekil 1’de gösterilen tek diyot iki direnç
FV hücre modeli kullanılmıştır. Bu model 5
parametre modeli olarak da geçmektedir.
FV hücre modelinde bulunan diyotun doğrusal
olmayan karakteristiğine yakın karakteristik elde
edebilmek için parçalı doğrusal diyot modeli
kullanılmıştır [7].
Bu çalışmada 80 W gücündeki Sharp NE80EJEA panel hücresinin deneysel verileri
kullanılarak Matlab/Simulink ortamında devre
temelli modeli oluşturulmuş, farklı ışınım değerleri
için FV hücrenin I-V ve P-V karakteristikleri elde
edilmiştir.
Oluşturulan model devre temelli olduğu için güç
elektroniği tasarımlarında kullanılması bakımından
yararlı olacaktır.
2. FV Hücre Modeli
Güneş pilleri p-n yarı iletkenlerinin ince bir
katman haline getirilerek birleştirilmesinden oluşur.
Karanlıkta FV hücre çıkış I-V karakteristiği diyot
karakteristiğine çok benzer. Işığa maruz kaldığında
fotonlar sayesinde elektron hareketi dolayısı ile
akım sağlanır. FV hücreleri ihmallerin göz önüne
alınmadığı durumda; Şekil 1’deki gibi bir akım
kaynağı, akım kaynağına paralel bağlı direnç ile
diyot ve oluşan yapıya seri bağlı bir direnç ile ifade
edilirler.
Şekil 1. FV hücre tek diyot iki dirençli eşdeğer
devresi
Beş parametre modeli olarak da adlandırılan bu
modeldeki adı geçen parametreler, IL, Io, Rp,Rs ve
n dir. Burada IL, FV hücre tarafından üretilen akımı,
Io diyotun ters doyum akımını, Rs direnci
hücredeki iç direnci ve bağlantı dirençlerini temsil
ederken,
Rp direnci ise paralel kaçak akım
direncini temsil etmektedir, n diyotun ideal
faktörünü ifade etmekte olup 1-2 arasında değerler
almaktadır.
yaklaşmaktadır. Burada özellikle eğrinin dirsek
bölgesi olan maksimum güç noktasına yakın
bölgede daha sık diyot kullanılmıştır.
Bu hücreye ait devreye Kirchoff akım kanunu
uygulandığında;
(1)
(2)
(3)
(2) ve (3) denklemleri (1) de yerine yazılırsa;
hücreden çekilen akımı ifade eden (4) denklemi
elde edilir.
Şekil 3. FV Hücre Parçalı doğrusal diyot modeli
eşdeğer devresi
Model için deneysel olarak parametreleri bilinen
Sharp NE-80EJEA güneş hücresine ait katalog
değerleri Tablo 1’de verilmektedir. Bu verilere göre
FV hücrenin I-V eğrisi şekil 4’deki gibi olmaktadır.
Tablo I
Sharp NE-80EJEA Güneş Hücresi
Parametreleri
Isc
5.15 A
Voc
0.6 V
Imp
4.63 A
Vmp
0.48 V
Kv
-1.10-4 V/C
KI
0.53.10-3A/C
n
1.2
Io
1.72.10-8
Rs
0.007Ω
Rp
2.057Ω
(4)
Burada, q, bir elektron yükünü 1.6x10-19,
Coulombs, k Boltzman sabiti 1.38x10-23J/K, T,
Kelvin cinsinden hücre sıcaklığını ifade etmektedir.
3. Parçalı Doğrusal Diyot Modeli
Burada FV hücre modeli için devre temelli
model amaçlanmaktadır. Bu modeli oluşturmak için
Şekil 2’deki tek diyotlu eşdeğer devrede bulunan,
akım kaynağına paralel olan diyotun I-V eğrisinden
faydalanılmaktadır. Buradan görüldüğü üzere
diyotun I-V karakteristiği, akım kaynağından,
hücrenin I-V eğrisinin çıkarılmasıyla elde
edilmektedir.
FV Hücre I-V Eğrisi
6
5
I [A]
4
3
2
1
Şekil 2. FV hücre Diyot I-V eğrisi elde edilmesi
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
V [V]
Matlab/Simulink’te
oluşturulacak
modelde,
yukarıda elde edilen diyotun doğrusal olmayan
karakteristiğine daha yakın bir diyot I-V
karakteristiği elde edebilmek için parçalı doğrusal
diyot
modeli
kullanılmıştır.
Bunu
gerçekleştirebilmek için akım kaynağına paralel çok
sayıda diyot kullanılmaktadır. Böylelikle Şekil 1’de
verilen eşdeğer devre Şekil 3’de gösterilen şekle
dönüşmektedir. Kullanılan diyot sayısı artırıldıkça
karakteristik gerçek diyot karakteristiğine daha çok
Şekil 4. FV hücre I-V eğrisi
(5)
(6)
Buradaki hücrenin akım ve gerilim değerleri
Denklem (5) ve (6)’deki gibi düzenlendiğinde diyot
akım (Id) ve gerilim (Vd) değerleri elde
edilmektedir. Bu değerler elde edilerek oluşturulan
diyot
Id-Vd
eğrisi
Şekil
5’deki
gibi
oluşturulabilmektedir.
Adjusted I-V curve
Id [A]
5
Şekil 7’de gösterilen eğri üzerindeki üç nokta arasındaki
doğrusal denklemler Matlab/Command Window’da
Denklem (7),(8) ve (9)’daki gibi yazıldığında Şekil 3’de
gösterilen paralel diyotlara bağlı ön dirençler
hesaplanmaktadır. Burada denklem (8) deki gerilim
değerleri aynı zamanda diyotlara seri olarak bağlı olan
gerilim kaynaklarını vermektedir.
4
Id=[,Id(4),Id(5),Id(6)];
(7)
3
Vd=[Vdiyot(4), Vdiyot(5), Vdiyot(6)];
(8)
Rdiyot = [ (Vd(5) - Vd(4)) / (Id(5)-Id(4)) , (Vd(6)-Vd(5))
/ (Id(6)-Id(5) ]
(9)
2
1
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Bu modelde gerçek diyot karakteristiğine çok yakın
karakteristik elde edebilmek için akım kaynağına paralel
13 tane diyot kullanılmıştır. Bu 13 paralel diyot koluna
bağlı olan gerilim kaynağı ve ön dirençlerin hesabı Şekil
8’de gösterilen Matlan/M-file sayfasında verilmektedir.
0.6
V [V]
Şekil 5. Elde edilen diyot I-V eğrisi
Şekil 5’deki diyot I-V eğrisi parçalı doğrusal
denklemler ile ifade edilmek istendiğinde öncelikle
karakteristik üzerinde aralarında doğrusal denklem
yazılacak noktalar belirlenmektedir. Şekil 6’da
belirlenen noktalar ile diyot I-V karakteristiği
gösterilmektedir.
Diyot I-V Eğrisi
6
5
Id [A]
4
3
2
1
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
V [V]
Şekil 6. Diyot I-V Eğrisi
Şekil 6’daki karakteristik üzerinde doğrusal
denklemlerin nasıl oluşturulduğunu özetlemek için
eğri üzerinde üç farklı nokta seçilmiş ve Şekil 7’de
gösterilmiştir.
Diyot I-V Eğrisi
1.8
Id(6)
Id [A]
1.6
Şekil 8. Paralel kollardaki diyota seri gerilim
kaynağı ve ön dirençlerin hesabı
1
Id(5)
Şekil
8’de
verilen
hesapların
ardından
Matlab/Simulink ortamında oluşturulan model Şekil
9’daki gibidir.
0.6
Id(4)
0.4
0.44
0.48
Vd(4)
0.5
Vd [V] Vd(5)
0.54
Vd(6)
Şekil 7. Diyot I-V Eğrisi üzerinde üç nokta
0.56
modelin, gerçek doğrusal olmayan FV hücre
modeline çok yakın sonuçlar verdiği görülmektedir.
Bu nedenle bu model fotovoltaik enerji dönüşüm
sistemlerinde maksimum güç noktası izleme
(Mppt), gölgelenme ve farklı ışınımlara maruz
kalma gibi birçok analiz için kullanılabilecektir.
6. Kaynaklar
[1] Issam Houssamo I.,Locment F., Sechilariu
M.,Maximum power tracking for photovoltaic
power system Development and experimental
comparison of two algorithms. Renewable Energy
(2010) 2381e23872010.
Şekil 9. FV Hücre model iç yapısı
[2] Walker G. Evaluating MPPT converter
topologies using a Matlab PV model. Journal of
Electrical, Electronics & Engineering, Australia
2001;21(4):49e55.
Elde edilen FV hücre modelinin farklı ışınımlardaki
I-V ve P-V eğrileri Şekil 10 ve 11’de gösterildiği
gibidir.
[3] Benghanem M. Low cost management for
photovoltaic system in isolated site with new IV
characterization
model
proposed.
Energy
Conversion and Management 2009;50:748e55.
FV Hücre I-V Karakteristiği
5.5
5
1000W/m2
4.5
4
800W/m2
I [A]
3.5
[4] Tafticht T, Agbossou K, Doumbia ML, Chériti
A. An improved maximum power point tracking
method for photovoltaic systems. Renewable
Energy 2008;33 (7):1508e16.
3
600W/m2
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
V [Volt]
Şekil 10. FV Hücre farklı ışınımlardaki I-V eğrileri
FV Hücre P-V Karakteristiği
[5] Ouaschning V, Hanitsch R. Numerical
simulation of photovoltaic generators with shaded
cells. In: Proc. of 30th Universities Power
Engineering Conference, Greenwich, UK; 1995. p.
583e6.
2.5
[6] Dzimano G., “Modeling of Photovoltaic
Systems” Msc., Ohio State University (2008).
1000W/m2
2
800W/m2
[7] Yaw-Juen Wang, and Po-Chun Hsu, “Analysis
of Partially Shaded PV Modules Using Piecewise
Linear Parallel Branches Model”, World Academy
of Science, Engineering and Technology, Vol. 60,
783-789, 2009.
P [W]
1.5
600W/m2
1
0.5
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
V [V]
Şekil 11. FV Hücre farklı ışınımlardaki P-V
eğrileri
5. Sonuçlar ve Öneriler
Bu çalışmada oluşturulan FV Hücre modeli devre
temelli, kolay anlaşılır ve basit yapıda olduğundan
dolayı özellikle model üzerinde güç elektroniği
uygulamaları yapacaklar için uygun olmaktadır.
Elde edilen farklı ışınımlar altındaki Akım-Gerilim
ve Güç-Gerilim karakteristiği sonuçları oluşturulan
0.6
[8] Villalva M.G., Gazoli J.R., and Filho E.R.,
Comprehensive
Approach
to
Modeling
andSimulation of Photovoltaic Arrays, IEEE Trans.
on Power Elect., Vol. 24, Nn. 5, MAY 2009.