Hibrid Güç Sistemi

Fotovoltaik-Rüzgâr Hibrid Güç Sistemi Uygulaması
Mehmet Azmi Aktacir, Bülent Yeşilata ve Yusuf Işıker
Harran Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Osmanbey Kampüsü, Şanlıurfa
[email protected], [email protected], [email protected]
Özet
co
m
Günümüzde yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı artırmak için yapılan en
önemli uygulamalardan biri de enerji kaynaklarının birlikte kullanıldığı hibrid
sistemlerdir. Hibrid uygulamalarda en fazla tercih edilen enerji kaynakları rüzgâr ve
güneş enerjisidir. Her ikisi de yenilenebilir bir enerji kaynağı olmasına karşın, etkin
çalışma saatleri genellikle farklı olan rüzgâr ve güneş enerjilerinin birlikte kullanılması
ji.
fikri hızla yayılmaktadır. Bu düşünceden hareketle; Harran Üniversitesi Osmanbey
er
Yerleşkesi’nde saha aydınlatması amacıyla prototip bir rüzgar-güneş hibrid sistemi
kurulmuştur. Bu çalışmada, söz konusu hibrid sistem bileşenleri tanıtılmakta ve sistem
en
tasarımı ile performansını etkileyen parametreler tartışılmaktadır. Hibrid sistemin,
özellikle aydınlatma gibi sabit güç tüketen uygulamalar için, gerekli elektrik enerjisini
kesintisiz ve güvenilir bir şekilde sağlayabildiği gözlemlenmiştir.
eo
Anahtar Kelimeler: Yenilenebilir Enerji, Rüzgar Jeneratörü, Fotovoltaik Panel, Hibrid
sistem.
w
Abstract
.n
A Photovoltaic-Wind Hybrid System Application
Hybrid systems are one of the most important application examples to
w
increase utilization of renewable energy sources. Wind and solar energy combination as
hybrid system application is widely preferred since their effective operation times are
w
complementarily different. A prototype wind-solar hybrid system is consequently installed
at the Osmanbey Campus of Harran University for field lighting. Components and design
parameters effective on performance of this prototype hybrid system are described here.
The observation made show that the wind-solar hybrid system is able to supply continuous
and reliable electricity for the applications consuming nearly constant electrical power per
time, such as lighting application.
Keywords: Renewable Energy, Wind Generator, Photovoltaic Panel, Hibrid Power system
1
1. GİRİŞ
Günümüzün vazgeçilmez tüketim araçlarından olan enerjinin; temiz, verimli ve
ekonomik kullanımı, ülkelerin gelişmişlik düzeylerini gösteren en önemli göstergedir.
Bugüne kadar dünyanın enerji ihtiyacı çoğunlukla (yaklaşık %90) fosil yakıtlardan
karşılanmasından dolayı, bu yakıta ülkelerin büyük bir bağımlılığı söz konusudur. Yakın
bir gelecekte tükenme olasılığı, çevreye kirliliği oluşturması ve giderek fiyatlarının artması
gibi çeşitli faktörler fosil yakıtlar için önemli dezavantajlardır. Bu olumsuzlukları ortadan
co
m
kaldırmak ve enerji kaynaklarını çeşitlendirerek fosil yakıtlara olan bağımlılığı azaltmak
için en büyük tüketici konumunda olan gelişmiş ülkelerde dışa bağımsız ve çevre dostu
yenilenebilir enerji kaynaklarına hızlı bir yöneliş vardır. Genel olarak yenilenebilir enerji
kaynakları; güneş (PV ve termal) ve rüzgâr enerjileri başta olmak üzere biokütle (odun,
ji.
katı atıklar, etanol vb.), jeotermal, hidrolik, gel git gibi fosil olmayan enerji kaynaklarını
kapsamaktadır.
er
AB’ye tam üyelik sürecinde Türkiye, ekonomik ve sosyal hayatın bütün alanlarında
olduğu gibi, enerji konusunda da Avrupa Birliği’ne uyum sağlamayı amaçlamaktadır. Bu
en
nedenle enerji yol haritalarının oluşturulduğu dünyadaki yapısal değişimin, ülkemizi
coğrafi/stratejik konumu gereği çok yakından etkileyeceği ve Türkiye için çizilen, Avrupa
Birliği müzakere süreci ile birlikte giderek netleşen; küreselleşme politikalarına tam uyum
eo
ve bunun devlet politikası haline gelmesi yönünde olacağına şüphe yoktur [1].
Amerika’dan sonra en büyük tüketici konumundaki AB’nin enerji politikasındaki
hedefleri arasında yenilenebilir enerji kaynaklarının payının artırılması vardır. AB
2010
yılında
.n
uygulamalarında,
toplam
enerjinin
%12’sinin
yenilenebilir
enerji
kaynaklarından karşılanması, toplam elektrik tüketiminin ise %22’sinin yenilenebilir enerji
w
kaynaklarına dayandırılması hedeflenmektedir [1]. TUBİTAK tarafından yürütülen
w
Vizyon–2023 projesinde belirlenen sosyoekonomik hedefler bağlamında odaklanılması
gereken teknolojik hedefler arasında, rüzgâr, güneş ve jeotermal gibi yenilenebilir enerji
w
kaynaklarına yönelik teknolojileri geliştirmek ve enerji üretiminde bu kaynaklara,
ekonomiklikleri oranında yer verilmesi gerektiği ifade edilmektedir [2].
Ülkemizin elektrik enerjisi üretimini 2005 yılında 162 TWh olup 2006 yılında %8.7
artışla 176 TWh’e yükselmiştir [3]. Tablo 1’de kullanılan elektrik enerjisi üretimi enerji
kaynaklarına göre 2001–2005 yıllarındaki dağılımları verilmiştir. 2005 yılı verilerine göre
elektrik üretiminin %75’i fosil kaynaklı yakıtlardan, %24’ü hidrolik güçten geri kalan
%1’lik kısım rüzgar başta olmak üzere jeotermal ve biokütleden elde edilmiştir [4].
2
Tablo 1. Enerji kaynaklarına göre elektrik enerjisi üretimi (106 kWh) [TÜİK]
2003
2004
2005
8 663.1
23 589.8
8 152.7
4.6
63 535.8
35 329.5
61.4
1 243.6
140 580.5
11 998.1
22 449.5
6 689.9
7.3
62 241.8
46 083.7
57.7
1 170.3
150 698.3
13 246.2
29 946.4
5 120.8
2.5
73 444.9
39 560.5
59.0
575.9
161 956.2
co
m
Enerji
2001
2002
Kaynağı
4 046.0
4 093.0
Taşkömürü
34 371.5
28 056.1
Linyit
8 816.6
9 504.9
Fuel oil
904.0
270.8
Motorin
49 549.2
52 496.5
Doğal gaz
24 009.9
33 683.7
Hidrolik
62.4
48.0
Rüzgar
965.1
1 246.3
Diğer*
122 724.7
129 399.5
Toplam Üretim
*Jeotermal, sıvı kükürt, ağaç kabuğu vb.
Önemli miktarda yenilenebilir enerji kaynaklarına sahip olan Türkiye'nin
ji.
yenilenebilir enerji üretiminde en büyük payı, hidroelektrik ve biokütle almaktadır. Rüzgâr
ve güneş enerjisinin payları henüz çok küçük seviyede olmasına karşın, zamanla bu
er
payların artması beklenmektedir. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı 2006 yılı verilerine
göre, ülkemizde yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen toplam enerji miktarının
en
5.38 milyon ton eşdeğer petrol (TEP) olduğu belirtilmektedir. Bu miktarın, 3.89 milyon
TEP'i hidroelektrik-jeotermal kaynaklarından, 2 bin TEP'i bioyakıttan, 11 bin TEP'i
rüzgardan, 1.81 milyon TEP'i ısıl olarak jeotermal kaynaklardan, 403 bin TEP'i de ısıl
eo
olarak güneşten olmuştur [5].
Ülkemiz rüzgâr ve güneş enerjisi potansiyeli yönünden oldukça iyi bir durumda
olmasına rağmen, bu potansiyel yeterince değerlendirilmemektedir. Ancak, 2005 yılında
.n
“Yenilenebilir Enerji Kaynaklarının Elektrik Enerjisi Üretimi Amaçlı Kullanımına İlişkin
Kanun”un [6] yasalaştırılması ile özel sektör yatırımları enerji alanına doğru
w
yönlendirilmiştir. Bu kapsamda özel sektör tarafından kurulan rüzgâr santrallerinin sayıları
giderek artmaktadır (Tablo 2) [7]. Tablo 2’den görüleceği gibi, Türkiye’de işletmeye
w
alınan rüzgar santrallerinin toplam kapasitesi 146.25 MW, inşaa halinde olanların 276.90
w
MW ve gelecekte kurulması planlanan santrallerin kapasitesi 533.20 MW’dir. Dünya
Rüzgar Enerjisi Kurumu’nun (WWEA) 2006 yılı verilerine göre, dünyadaki kurulu rüzgar
santralleri toplam kapasitesi 73904 MW olup en büyük kapasiteye sahip 5 ülke sırasıyla
Almanya (20622 MW), İspanya (11615 MW) ABD (11603 MW), Hindistan (6270 MW)
ve Danimarka (3136 MW)’dir. Büyük artış gösteren rüzgar enerji santrallerinin 2010
yılında 160 GW kapasiteye ulaşması beklenmektedir [8].
Ülkemizdeki güneş enerjisi kullanımı ağırlıklı olarak ısıl uygulamalar için
olmaktadır. Güneş enerjisinden doğrudan elektrik üreten fotovoltaik (PV) uygulamalar ise
3
son zamanlarda yaygınlaşmaya başlamıştır. PV uygulamalar; sokak aydınlatması, trafik
sinyalizasyonu, baz istasyonu, yerleşim yerlerinden uzak alanlardaki elektrik ihtiyacının
karşılanması gibi ağırlıklı olarak şebekeden bağımsız küçük sistemler olarak göze
çarpmaktadır. Gerek güneş enerjisinin, gerekse rüzgâr enerjisinin sürekli bir enerji kaynağı
olmaması, günün tüm anlarında etkin çalışmaması en büyük dezavantajlarıdır. Bu
olumsuzluğu gidermek ve kullanımı artırmak için, en önemli uygulamalardan biri; enerji
kaynaklarının birlikte kullanıldığı hibrid sistemlerdir. Hibrid uygulamalarda, sürekli bir
co
m
enerji kaynağı olmayan rüzgar ve güneş enerjileri birlikte kullanılarak, günün büyük bir
bölümünde kesintisiz enerji elde edilmesi hedeflenmektedir. Son yıllarda bu nedenle,
hibrid sistemlerin optimizasyonu, performans analizi ve entegrasyonu konularında yoğun
ji.
araştırmalar söz konusudur [9-12].
Tablo 2. Rüzgâr santralleri [EPDK]
Üretime
Kurulu
Geçiş Tarihi Güç
Şirket
Türbin Adet ve
Kapasitesi
3 adet 500 kW
12 adet 600 kW
17 adet 600 kW
2 adet 600 kW
20 adet 1.500 kW
1 adet 850 kW
49 adet 800 kW
6 adet 1.800 kW
38 adet 800 kW
13 adet 800 kW
+5 adet 900 kW
Alize A.Ş.
Güçbirliği A.Ş.
Bores A.Ş.
Sunjüt A.Ş.
Bares A.Ş.
Ertürk A.Ş.
Mare A.Ş.
Deniz A.Ş.
Anemon A.Ş.
1998
1998
2000
2003
I/2006
II/2006
I/2007
I/2007
I/2007
1.5 MW
7.2 MW
10.2 MW
1.2 MW
30.0 MW
0.85 MW
39.2 MW
10.8 MW
30.4 MW
Enercon
Vestas
Enercon
Enercon
GE
Vestas
Enercon
Vestas
Enercon
Çanakkale-Gelibolu
Doğal A.Ş.
II/2007
14.9 MW
Enercon
eo
en
İzmir-Çeşme
İzmir-Çeşme
Çanakkale-Bozcaada
İstanbul-Hadımköy
Balıkesir-Bandırma
İstanbul-Silivri
İzmir-Çeşme
Manisa-Akhisar
Çanakkale-İntepe
w
.n
İşletmedeki Kapasite Toplamı 146.25 MW
Hatay-Samandağ
Deniz A.Ş.
II/2007
30.0 MW
Manisa-Sayalar
Doğal A.Ş.
II/2007
30.4 MW
İstanbul-G.Osmanpaşa Lodos A.Ş.
I/2008
24.0 MW
İstanbul-Çatalca
Ertürk A.Ş.
I/2008
60.0 MW
İzmir-Aliağa
İnnores A.Ş.
I/2008
42.5 MW
Balıkesir-Şamlı
Baki A.Ş.
I/2008
90.0 MW
İnşa Halindeki Kapasite Toplamı 276.90 MW
Muğla-Datça
Dares A.Ş.
I/2008
28.8 MW
Aydın-Çine
Sabaş A.Ş.
I/2008
19.5 MW
Bilecik
Sagap A.Ş.
II/2008
66.6 MW
Hatay-Samandağ
Ezse Ltd. Şti.
II/2008
35.1 MW
Hatay-Samandağ
Ezse Ltd. Şti.
II/2008
22.5 MW
Osmaniye-Bahçe
Rotor A.Ş.
I/2009
135.0MW
Manisa-Soma
Soma A.Ş:
I/2009
140.8MW
Balıkesir-Kepsut
Poyraz A.Ş.
I/2009
54.9 MW
İzmir-Aliağa
Doruk A.Ş.
I/2009
30.0 MW
Türbin Tedarik Sözleşmesi İmzalı Proje Toplamı 533.20 MW
w
w
Türbin
İmalatçısı
er
Mevkii
Bu
çalışmada
Harran
Üniversitesinde
Vestas
Enercon
Enercon
Vestas
Nordex
Vestas
15 adet 2.000 kW
38 adet 800 kW
12 adet 2.000 kW
20 adet 3.000 kW
17 adet 2.500 kW
30 adet 3.000 kW
Enercon
Vensys
36 adet 800 kW
13 adet 1.500 kW
74 adet 900 kW
900 kW
2.500 kW
54 adet 2.500 kW
176 adet 800 kW
61 adet 900 kW
15 adet 2.000 kW
Conergy AG
Fuhrländer
Fuhrländer
GE
Enercon
Enercon
Enercon
uygulama
ve
araştırma-geliştirme
çalışmalarının eş-zamanlı yürütülen “Temiz Enerjili Kampus Projesi” kapsamında;
4
tamamen bölgesel gereklilik ve uygulanabilirlik göz önüne alınarak seçilen prototip bir
rüzgar-güneş hibrid güç sistemi tanıtılmaktadır. Bölgesel güneş enerjisi potansiyelinin
yüksekliği nedeniyle, güneş enerjisi teknolojilerinin etkin kullanımının bir adımı olan
hibrid sistem uygulaması, Devlet Planlama Teşkilatı (DPT) tarafından desteklenen proje
kapsamı içerisindedir.
2. RÜZGÂR-GÜNEŞ ENERJİSİ
enerjisinden
elektrik
enerjisi
üretiminde
rüzgâr
jeneratörleri
co
m
Rüzgâr
kullanılmaktadır. Rüzgâr jeneratörü kanadı ile aldığı enerjiyi, jeneratörde doğrudan
alternatif akım (AC) olarak elektrik enerjisine dönüştürür. AC olarak üretilen enerji doğru
akıma (DC) kontrol cihazında düzenlenerek dönüştürülür. Elde edilen enerji bataryada
ji.
depo edilir. Bu yolla DC yükü doğrudan kullanılabilindiği gibi invertör ile AC’ye
(220V/50Hz’lik veya 110V/60Hz’lik AC) dönüştürülerek de kullanılabilir. Rüzgar
1
QV 2
2
(1)
en
E=
er
jeneratörü ile elde edilebilecek enerji miktarı (E),
eşitliği ile hesaplanır. Eşitlikte Q ve V sırasıyla rüzgarın debisini ve hızını göstermektedir.
Rüzgar debisi ise; ρ havanın yoğunluğunu ve A ise hız doğrultusuna dik yüzeyi göstermek
Q = ρAV
eo
kaydıyla, süreklilik denklemi kullanılarak,
(2)
.n
eşitliği ile bulunur. Eşitlik (1) yeniden düzenlendiğinde, rüzgar enerjisi ile rüzgar hızının
küpü arasındaki
1
ρAV 3
2
(3)
w
E=
w
bağıntısına ulaşılır. Bu bağıntıya göre; sistem tasarımında en önemli parametre rüzgar hızı
olduğundan, rüzgâr enerjisi üretiminde yer seçimi, iklim ve jeolojik yapı oldukça
w
önemlidir.
Güneş enerjisinden doğrudan elektrik enerjisi üretmek için fotovoltaik (PV) olarak
adlandırılan
güneş
panelleri
kullanılmaktadır.
Yarı
iletken
levhalardan
oluşan
fotovoltaikler, güneş ışığındaki elektromanyetik dalgalar, elektronları yarı iletken plakanın
bir katmanından bir diğer katmanına hareket ettirerek elektrik akımı oluşturma prensibine
dayanır. Küçük hücre olarak elde edilen fotovoltaik hücreler istenilen güç ve voltaj
aralığında birbirine paralel ya da seri bağlanarak farklı gerilim ve kapasitede fotovoltaik
paneller elde edilir. Fotovoltaik hücre üretiminde, yarıiletken özellik gösteren silisyum,
5
galyum arsenit, kadmiyum tellür gibi maddeler farklı kaplama teknikleriyle üretilmektedir.
Değişen iklim koşullarının etkisiyle güneş panellerinde güç çıktısı farklı miktarlarda
olmaktadır. Bu panel yüzeyine gelen enerji, panel yapısına bağlı olarak %10 ile %30
arasında bir verimle elektrik enerjisine çevrilebilir. Ticari olarak piyasaya sürülen PV
panellerde nominal çalışma verimi yaklaşık olarak %15 civarındadır. Bir fotovoltaik panel
tarafından üretilen elektrik enerjisinin hesabında,
⎡ ⎛ V + IRs ⎞ ⎤
P = IV = I L − I 0 ⎢exp⎜
⎟ − 1⎥V
⎣ ⎝ A ⎠ ⎦
co
m
(4)
denklemi kullanılmaktadır [13]. Denklenmedeki IL yüzeye ışınım düştüğünde üretilen
akımı, I0 karanlık devre akımı, Rs seri direnci, A termal voltajı, I ve V sırasıyla çalışma
akımını ve voltajını göstermektedir. (4) denklemi ile güç hesabının yapılabilmesi için, PV
ji.
panel üretici firma kataloglarında, standart test şartları (1000 W/m2 ışınım şiddeti ve 25 0C
çevre sıcaklığı) için belirtilmiş bazı verilerden yararlanmak gereklidir. Hesap aşamaları
er
Fıratoğlu ve Yeşilata (2004) tarafından detaylı olarak açıklanmıştır.
en
3. RÜZGAR-GÜNEŞ ENERJİLİ HİBRİD SİSTEM
Harran Üniversitesi Osmanbey yerleşkesinde yenilenebilir enerji kaynaklarından
faydalanılarak elektrik şebekesinden bağımsız elektrik enerjisi üretimi için, rüzgâr-güneş
eo
enerjili hibrid güç sistemi kurulmuştur. Osmanbey yerleşkesi, Şanlıurfa’nın doğusunda ve
merkeze 22 km uzaklıkta 27000 dönüm arazi üzerine kurulmuştur. 1.1 kWh
.n
kapasitesindeki bileşik sistem yerden yaklaşık 15 m yükseklikteki Mühendislik Fakültesi
binası çatısına yerleştirilmiştir (Şekil 1). Yerel elektrik şebeke hattından bağımsız olarak
hibrid
sistemde
üretilen
enerji,
fakülte
binasının
çeşitli
bölümlerinin
w
çalışan
w
w
aydınlatılmasında kullanılmaktadır.
6
Rüzgar Türbini
co
m
Fotovoltaik Panel
Şekil 1. Rüzgâr-güneş hibrid güç sistemi yerleşim planı
ji.
3.1. Sistem Bileşenleri
noktalarında,
yenilenebilir
enerji
er
Bu sistemin akış şeması şekil 2’de verilmiştir. Şekilden görüleceği gibi, 1 ve 2
kaynaklarından
rüzgâr
ve
güneş
enerjisinden
en
faydalanmak için rüzgâr jeneratörü ve fotovoltaik güneş pilleri kullanılmaktadır.
PV Panel
-
4
+
eo
2
Batarya Grubu
+
w
w
w
.n
-
3
-
+
Invertör
6
5
Karanlik Sensörü
Kontrol Sistemi
7
AC Yük
1
Rüzgar Jeneratörü
Şekil 2. Rüzgâr-güneş hibrid güç sistemi akış şeması
Rüzgâr jeneratöründe alternatif akım ve PV panellerde doğru akım olarak elde
edilen elektrik enerjisi, 3 noktasındaki hibrid kontrol cihazına aktarılır. Burada düzenlenen
elektrik enerjisi, DC olarak 4 noktasında bulunan batarya grubunun şarjında kullanılır.
Bataryalarda DC olarak depolanan enerji, aydınlatmaya ihtiyaç duyulduğu zamanlarda 5
7
noktasındaki karanlık sensörünün devreyi tamamlaması ile 6 noktasındaki invertörde
AC’ye dönüştürülerek 7 noktasında sisteme bağlı bulunan AC aydınlatma armatürlerinin
yanması sağlanır.
3.2. Enerji Bileşenlerin Teknik Özellikleri
Mühendislik Fakültesi’nde kurulan hibrid sistemde 800 W gücündeki rüzgar
jeneratöründe 48 V’luk AC elektrik enerji üretmektedir. Rüzgar jeneratörü yakın görünüşü
co
m
Şekil 3a’da sunulmuştur. Hassas enjeksiyon kalıplama tekniği ile yeni ve hafif bir
kompozit malzemeden imal edilen bu pervanenin çapı 2 m’dir.
Mevcut mini rüzgar jeneratörü yaklaşık 2.7-3.5 m/s rüzgar hızı aralığında harekete
geçebilmektedir. Sistem enerji üretimine 4.5-5.5 m/s’lik rüzgar hızına ulaşıldığında
ji.
başlamaktadır. 20 m/sn rüzgar hızının üzerinde ise sistem emniyeti açısından enerji
üretimini kesmektedir. Rüzgâr jeneratörünün maksimum enerji üretimi, 12-13 m/s rüzgar
er
hızında olmaktadır.
AC jeneratöründe, jeneratörün çekme gücünü (drag torque) azaltan bir rotor
en
manyetik devresi oluşturan özel stator sayesinde rotor ile jeneratör arasında daha iyi bir
uyum sağlanmakta ve etkin rüzgâr hızı alanı genişletilmektedir. Böylece yıllık enerji
üretimi arttırılmaktadır. Jeneratörün kendi karakteristiğine uyumlu şekilde tasarlanan
eo
manyetik fren aleti, yapıyı basitleştirmekte ve çalışma güvenilirliğini artırmaktadır. Sonuç
olarak burada kullanılan rüzgâr jeneratörünün; düşük başlangıç rüzgâr hızı, yüksek sistem
verimliliği, çalışma esnasında düşük titreme ve alçak ses, bakım ve kurulumunun kolay
.n
olması en önemli özellikleridir. Bu cihazda geleneksel küçük rüzgâr enerjisi dönüşüm
sisteminde sıklıkla karşılaşılan kablo karışıklığı sorunu da ortadan kaldırılmıştır.
w
Hibrid sisteme, rüzgâr enerjisinin yetersiz olduğu durumlarda sistemin enerji
w
üretiminin devamını sağlamak amacıyla fotovoltaik güneş panelleri ilave edilmiştir. Hibrid
sistemde, 4 adet monokristal hücreden oluşan 60W/12V paneller seri bağlanarak 48V DC
w
elektrik enerjisi üretilmiştir. PV panel grubu güneye doğru ve yer düzlemiyle 50°’lik bir
açıyla yerleştirilmiştir. Şekil 3b’de hibrid sisteminde kullanılan PV panel dizisi
gösterilmiştir.
8
co
m
a) Rüzgâr jeneratörü
b) Fotovoltaik panel dizisi
3.3. Hibrid Sistem Regülâtörü
ji.
Şekil 3 Hibrid sistem enerji kaynakları
er
PV ve jeneratörden gelen enerjiler mikro işlemci tabanlı hibrid kontrol cihazında
düzenlenir. Şekil 4’te hibrid kontrol cihazı bağlantı şeması sunulmuştur. Cihaz üzerinde 9
w
w
w
.n
eo
için ikişer soket bulunmaktadır.
en
soket bulunmaktadır. Rüzgâr jeneratörü için üç, güneş panelleri, batarya grubu ve DC yük
Şekil 4. Hibrid kontrol cihazı bağlantı şeması
PV ve jeneratörden kontrol cihazına gelen elektrik enerjisi, güneşli ve rüzgarlı
anlarda her ikisinden veya güneş ve rüzgardan birisinin olduğu anda sadece birinden
gelebilir. Bu tamamen çalışma anındaki güneş ve rüzgârın durumuna bağlıdır. Şekil 5’te
hibrid kontrol cihazının kumanda paneli gösterilmiştir.
9
co
m
ji.
Şekil 5. Hibrid kontrol cihazı kumanda paneli
er
Şekil 5’den görüldüğü gibi, kumanda panelinin üst tarafında bulunan 3 adet
gösterge ışığı, PV ve jeneratör devrede olduğunda ve batarya grubu şarj edildiğinde
en
yanmaktadır. Batarya grubu hibrid kontrol cihazından gönderilen enerji ile şarj
edilmektedir. Dolayısıyla batarya grubunun voltajı sistemden gelen enerji miktarına göre
değişmektedir. Pano üzerinde ikinci sırada bulunan gösterge lambaları, batarya gurubunun
eo
voltaj seviyesini düşük, orta ve yüksek olarak 3 farklı seviyede göstermektedir. Batarya
grubunun minimum ve maksimum voltaj aralıklarına ulaştığında (44V ve 53V) kontrol
panelinde bulunan diğer 2 gösterge lambası ile uyarı vermekte aynı zamanda sesli olarak ta
.n
uyarmaktadır. Jeneratörün kendi karakteristiğine uyumlu şekilde tasarlanan yeni manyetik
fren tertibatı ile sistemin çalışma güvenliği sağlanmaktadır. Kontrol paneli üzerine fren
w
butonu yerleştirilmiştir. Bu buton açık konumundayken jeneratör çalışır vaziyettedir.
w
Kapalı yani fren konumuna aldığımızda ise jeneratör rotoru dönmemektedir.
w
3.4. Enerji Depolama Ünitesi (Batarya Bank)
Yenilenebilir enerji kaynaklarından üretilen enerji DC olarak doğrudan
kullanılabildiği gibi, bataryalarda da depolanarak enerjinin üretilmediği zamanlarda
kesintisiz olarak kullanılabilir. Genellikle 12V olarak üretilen bataryalar ile ihtiyaca ve
uygulamaya göre seri veya paralel bağlanarak farklı gerilim ve kapasitede batarya grupları
oluşturulabilir. Taşıtlarda kullanılan klasik bataryaların en önemli özellikleri kısa sürede
yüksek akım ve güç vermeleridir. Sulu sistem olarak bilinen bu tip bataryaların kapalı
alanlarda kullanımları çıkardıkları asit salgıları nedeniyle risklidir. Bu tip bir riski
10
taşımayan kapalı sistem kuru ve jel tipi bataryalar, PV uygulamalarında tercih edilirler. Bu
bataryaların uzun işletme ömürlü olması, daha fazla sayıda şarj-deşarj yapması, depolanan
enerjinin büyük kısmının kullanılabilir olması ve bakım gerektirmesi en önemli
özellikleridir. Hibrid sistemde 4 adet 12V/55 Ah’lik jel tipi batarya seri olarak bağlanarak
co
m
kullanılmıştır (Şekil 6).
ji.
Şekil 6. Hibrid sistem batarya bankası
3.5. Enerji Dönüştürücü (İnvertör)
er
AC yük beslenen sistemlerde, DC doğrudan kullanılamadığı için AC yük ile
batarya grubu arasında DC’yi AC dönüştürmek için invertör olarak adlandırılan
en
dönüştürücüler kullanılır (Şekil 7).
Hibrid sistemde kullanılan inventörün özellikleri; Giriş gerilimi: 48V DC, Giriş
eo
toleransı: +/- % 20, Verim: >%85, Çıkış gerilimi: 220V AC, Çıkış toleransı: +/- % 1, PWM
Frekansı: 10 kHz, Çıkış Frekansı: 50 kHz, Çıkış gücü: 50VA–100 kVA ve aşırı akım,
w
w
w
.n
yüksek ısı, yüksek ve düşük gerilime karşı korumalıdır.
Şekil 7. İnvertör
3.6. AC Yük (Aydınlatma Projektörleri)
Hibrid sistemde elde edilen elektrik enerjisi, örnek bir uygulama olarak,
Mühendislik Fakültesi binası yanındaki otopark sahasının aydınlatmasında kullanılmıştır.
Hibrid sistem ile aydınlatma armatürleri arasında yaklaşık olarak 50 m’lik bir mesafe
vardır. Bu sistemde kullanılan aydınlatma armatürleri, Light Emitting Diode kelimelerinin
kısaltılmış olan ve “Işık Yayan Diyot” anlamına gelen LED’li projektörlerdir. LED’ler
11
elektrik enerjisini ışığa dönüştüren yarı iletken devre elemanlarıdır. Klasik lambalara göre
daha uzun ömürlü ve az enerji kullanarak yüksek yoğunlukta aydınlatma sağlarlar. Hibrid
sistemde 40W gücünde ve 693 adet LED’ten oluşturulmuş 2 adet AC armatür
kullanılmıştır (Şekil 8). LED armatürlerin ışık ve mekanik parçaları 20 yıla kadar
garantilidir.
Hibrid sistemde aydınlatma ihtiyacının olduğu zamanlarda aydınlatma sistemin
devreye girmesi için karanlık sensörü kullanılmıştır. Bu sensör ile ayarlanan ışık şiddetine
co
m
göre sistem açılır veya kapatılır. Bir nevi anahtar görevi görmektedir. Karanlık algıladığı
anda 0-30 sn bekleme süresinden sonra enerji verilmektedir. Işık algılandığında ise 30-60
sn bekleme süresinin ardından enerji kesilerek sistemin kontrolü sağlanmaktadır. Farklı
aydınlatma
şiddeti
ve
çalışma
süresine
yönelik
ve
ayarlamalar
da
er
ji.
yapılabilmektedir.
kontrol
en
Hibrid Sistem
.n
eo
Aydinlatma Armatürleri
w
Şekil 8. AC armatürlerin binaya montajı
4. SONUÇ
w
Hibrid sistemin kurulumundan itibaren geçen yaklaşık 3 aylık çalışma döneminde,
sistem elemanlarının çalışma karakteristikleri ve toplam enerji bilançosuna yönelik
w
ölçümler yapılmaktadır. Bu sürede Şanlıurfa yerel koşullarında, rüzgar jeneratörü ve PV
sistemden üretilen elektrik enerjisinin, batarya grubunu sürekli şarjlı durumda tutabildiği
gözlenmiştir. Batarya grubundan beslenen armatürler ile geceleri kesinti olmadan güvenilir
aydınlatma temin edilebilmektedir. Hibrid sistemin çalışma performansına yönelik
ölçümler sürmekte olup, sayısal değerlerin analizi yaz dönemlerini kapsayacak şekilde
genişletilerek rapor edilecektir.
12
Bu çalışma; GAP bölgesi açısından büyük önem arz eden ‘Temiz Enerji
Kaynaklarının Verimli Kullanımına Yönelik Yeni Teknoloji ve Uygulamaları’
kapsamında, PV-rüzgar hibrid sisteminin, bölgede etkin olarak kullanılabileceği konusunda
ilk deneysel uygulama çalışması olması açısından önemlidir.
KAYNAKLAR
ARGE Bülteni, Eylül 2006, İzmir Ticaret Odası, İzmir.
co
m
1. Kılıç N., Avrupa Birliği Sürecinde Enerji Sektörünün Konumu ve Enerji Yol Haritaları,
2. TUBİTAK Vizyon 2023 Teknoloji Öngörü Projesi, Enerji Ve Doğal Kaynaklar Paneli
Raporu, 2003, Ankara.
3. BP Statistical Review of World Energy, June 2007, http://www.bp.com.
ji.
4. TÜİK, Türkiye İstatistik Kurumu, 2006 Türkiye İstatistik Yıllığı, 2007, Ankara.
er
5. ETKB, Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı 2006 Enerji Verileri.
6. Yenilenebilir Enerji Kaynaklarının Elektrik Enerjisi Üretimi Amaçlı Kullanımına İlişkin
Kanun, Kanun No 5346, Kabul Tarihi: 10.5.2005, Resmi Gazete Sayı:25819, Ankara.
en
7. EPDK, Enerji Piyasası Düzenleme Kurulu, http://www.epdk.org.tr/lisans/elektrik/yek
/ruzgar projelerinin gelisimi.xls, 2008.
World
Wind
Energy
Association
İstatistical,
29
January
2007,
eo
8. WWEA,
www.wwindea.org.
9. Rajendra P.A. ve Natarajan E., Optimization of integrated photovoltaic–wind power
.n
generation systems with battery storage, Energy 31 (2006) 1943–1954.
10. Smiley E.W., Jones J.D., ve Stamenic L., Optimizing Photovoltaic Array Size In A
w
Hybrid Power System, 28th IEEE PV Specialist Conference, Anchorage, 2000.
11. Turcotte D., Ross M., ve Sheriff F., Photovoltaic Hybrid System Sizing and Simulation
w
Tools: Status And Needs, PV Horizon: Workshop on PV Systems, Montreal,
September 10, 2001.
w
12. Rosenthal A.L., PV Hybrid System Performance, PV Horizon: Workshop on PV
Systems, Montreal, September 10, 2001.
13. Fıratoğlu, Z.A., Yesilata B. "New approaches on the optimization of directly-coupled
photovoltaic water-pumping systems” Solar Energy, Vol:77, pp. 81-93 (2004).
13
TEŞEKKÜR
Bu çalışma, DPT tarafından ‘Harran Üniversitesi Yeni Kampüsünün İleri Güneş Enerjisi
Teknolojileri İle Entegrasyonu ve GAP Bölgesinde Uygulanabilir Teknolojilerin
Araştırılması’ başlıklı proje kapsamında gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, hibrid sisteme yönelik
teknik yardımlarından dolayı, Harran Üniversitesi Makina Fabrikası’nın ilgili çalışanlarına
co
m
ve İbrahim Ocak’a teşekkür ederiz.
YAZARLARIN KISA ÖZGEÇMİŞLERİ
Yrd. Doç. Dr. Mehmet Azmi Aktacir
Doç. Dr. Bülent Yeşilata
en
er
ji.
1993 yılında Fırat Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümünden
mezun oldu. Aynı yıl içersinde, Harran Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makina
Mühendisliği Bölümünde Araştırma Görevlisi olarak göreve başladı. 1995'te Harran
Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makina Mühendisliği ABD'nda Yüksek Lisansını,
2005 yılında Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Termodinamik ABD'nda
Doktora öğrenimini tamamladı. 2007 yılında Harran Üniversitesi Mühendislik Fakültesi
Makina Mühendisliği Bölümü Termodinamik ABD'nda, Yrd. Doç. Dr. olarak göreve
başladı, halen aynı görevde devam etmektedir. Tesisat mühendisliği ve yenilenebilir enerji
kaynakları konusunda çalışmalarını sürdürmektedir. Evli ve bir erkek çocuğu vardır.
.n
eo
Doktor ünvanını Ocak/1999’da (Lehigh Üniversitesi/ ABD), Doçent ünvanını ise
Mart/2004’de almıştır. Ağustos/2002-Ocak/2003 tarihleri arasında Massachusetts Institute
of Technology (MIT)’de ziyaretçi araştırmacı olarak çalışmıştır. Polimerik malzeme
teknolojisi, polimerik akışlarda karasızlıklar ve viskoz ısınma etkisi, uçak türbini
malzemelerinde oksidasyon modellemesi, mikro-akışkan sistemler ve fotovoltaik pillerle
enerji üretiminde optimizasyon konularında çalışmaları bulunmaktadır.
w
Araş. Gör. Yusuf Işıker
w
w
2003 yılında Harran Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği
Bölümünden mezun oldu. 2007 yılında Harran Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü
Makina Mühendisliği ABD'nda Yüksek Lisansını tamamladı. Harran Üniversitesi
Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümünde Araştırma Görevlisi olarak görev
yapmaktadır. Polimerik malzeme teknolojisi ve fotovoltaik pillerle enerji üretiminde
optimizasyon konularında çalışmaktadır.
14