BULANIK MANTIK TABANLI TEK EKSEN GÜNEŞ TAKİP

BULANIK MANTIK TABANLI TEK EKSEN GÜNEŞ TAKİP SİSTEMİNİN
TASARIMI VE UYGULAMASI
Gökhan GÖL
Anadolu Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Havacılık Elektrik ve Elektroniği ABD
[email protected]
Yrd. Doç. Dr. Emre KIYAK
Anadolu Üniversitesi Havacılık ve Uzay Bilimleri Fakültesi Havacılık Elektrik ve Elektroniği
[email protected]
Özet
Bu çalışmada bulanık mantık tabanlı tek eksende kontrol edilebilen güneş takip sisteminin tasarım ve
uygulaması gerçekleştirilmiştir. Güneş enerjisinin gelme açısına göre güneş paneli, bulanık mantık denetleyicisi ile ışık
şiddetinin fazla olduğu tarafa yönlendirilmiştir. Böylece güneş ışınlarının güneş paneline en dik şekilde yansıması
sağlanarak güneş panelinden elde edilen enerjinin maksimum oranda kullanılması sağlanmıştır.
Anahtar Kelimeler: Bulanık mantık, kontrol sistemi, enerji verimliliği.
DESIGN AND IMPLEMENTATION OF SINGLE-AXIS SOLAR TRACKING SYSTEM
BASED FUZZY LOGIC
Abstract
In this study, based on fuzzy logic, which may be controlled single-axis solar tracking system design and
procedures were carried out. According to the angle of incidence of solar energy, solar panel is directed to the side
where the light intensity over the fuzzy logic controller. Thus, the solar radiation reflected by providing the solar panel
in the upright position, the energy obtained from the solar panel is provided to be used to their maximum.
Keywords: Fuzzy logic, control system, energy efficiency.
1. GİRİŞ
Yenilenebilir enerji, sürekli devam eden doğal süreçlerden elde edilen ve doğal süreçlerin
enerjisinin kullanılabilir forma dönüştürüldüğü enerji tipidir. Yenilenebilir enerji kaynakları
güneş ışığı, rüzgâr, akan su, biyolojik süreçler ve jeotermal olarak sıralanabilir (Yenilenebilir
Enerji, 2015). Yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı fosil yakıtların sınırlı olması ve gün
geçtikçe tükenmesi, çevreyi kirletmesi ve iklim değişikliğine neden olması açısından hızlı bir
şekilde artmaktadır. Bunun yanı sıra her yere kurulabilecek sistemler olması ve çeşitli
teknolojilerle geliştirilmeleri kullanımlarını artıran diğer bir faktördür.
Yenilenebilir enerji kaynaklarının en yaygın olanları güneş ve rüzgâr enerjileridir. Rüzgâr
enerjisi elde etmek için kurulması gereken rüzgâr türbinlerinin kurulduğu yerlerin yeterince
rüzgâr alıyor olması gerekmektedir ve ülkemizde her il bu koşulu sağlayamamaktadır. Ayrıca
rüzgâr türbinlerinin çıkardığı sesin çevreye verdiği rahatsızlık türbinlerin yerleşim yeri uzağında
alanlara kurulmasını gerektirmektedir. Bunun yanı sıra rüzgâr türbinlerinin kurulduğu rüzgâr alan
bölgeler genellikle kuşların göç yolu üzerindedirler. Yapılan araştırmalar neticesinde kuşların
kurulan türbinlerden dolayı ya göç yollarını değiştirdiği ya da birçok türbine çarparak öldükleri
gözlemlenmiştir (Gül, 2015). Dolayısıyla yenilenebilir enerji kaynağı olarak rüzgâr türbinlerine
kıyasla güneş tarlalarının kurulması daha fazla görülmektedir.
Güneş enerjisi kullanılarak elektrik enerjisi elde etme yöntemi diğer yenilenebilir enerji
kaynaklarına göre daha kolay, uygulanabilir, doğaya zararsız ve düşük maliyetli olduğundan ticari
bir ürün olarak hızla yaygınlaşmaktadır. Ancak üretilen güneş pillerinin verimlerinin % 20
civarında olması, güneş enerjisinin tam verimde elektrik enerjisine dönüşmesini engellemektedir
(Make Solar Energy Economical, 2015). Bu yüzden güneş ışığından yüksek verim elde etmek
için, güneşi takip eden sistemler ortaya çıkmıştır.
Güneş takip sistemi, güneş panellerinin gün içerisinde güneşi takip ederek tam verimde
çalışmasını amaçlayan, güneşin panellere dik gelmesini sağlayan izleme sistemidir. Bu
sistemlerin kullanılması ile güneş panellerinden elde edilen verimin % 25 ile % 55 arasında arttığı
gözlemlenmiştir (Irina and Cătălin, 2010).
Güneş takip sistemlerinin geliştirilmesi ile ilgili son yıllarda çok fazla çalışma yapılmıştır.
Çeşitli kontrol teknikleri kullanılarak panellerin güneş ışınlarını dik olarak alması için çalışmalar
yürütülmektedir. Yapılan çalışmalara göre güneş takip sistemlerinde, foto direnç ya da fotosel
kullanılması bulutlu ortamlarda daha yaygındır (Benghanem, 2011). Bir diğer çalışmada güneş
takibinin optimal hale getirilmesi için PLC (programlanabilir lojik kontrol) ve adım motoru
kullanılarak SCADA sistemi geliştirilmiştir (Figueiredo and Costa, 2008). Ayrıca mikro işlemci
tabanlı bir güneş takip sistemi geliştirilerek takip sistemin çok kararlı olduğu gözlenmiştir
(Saxena and Dutta, 1990). Ülkemizde yapılan bir çalışmaya göre ise, yılda metre kare başına 1100
kWh lik bir güneş enerjisi potansiyelinin olduğu görülmektedir (Altın, 2004).
Bu çalışmada bulanık mantık tabanlı mikro işlemci ve kontrol üniteleri ile tek eksenli
güneş takip sistemi tasarımı ve uygulaması geliştirilmiştir. Kontrolcü olarak bulanık mantık
kullanılmış ve gerekli kontrol devreleri tasarlanmıştır. Kontrol devresi Atmega 328 mikro
kontrolcüsü üzerine inşa edilmiş ve gerekli yazılımlar Matlab simülasyonları neticesinde
oluşturularak kontrol birimine yüklenmiştir.
2. GÜNEŞ TAKİP SİSTEMİ UYGULAMASI
Güneş takip sistemlerinin amacı verimliliği düşük olan güneş enerji sistemlerinde güneş
ışınlarının tam açıyla güneş panellerine yansıtılmasını sağlamak ve tam verimde enerji üretimini
gerçekleştirmektir. Bu yüzden sürekli olarak sistemin farklı noktalarına yerleştirilen güneş ışını
şiddet sensörleri ile kontrol edilir ve güneş ışınlarını fazla alan noktaya doğru güneş panelleri DC
motor ile hareket ettirilir. Güneş takip sistemi uygulaması için kullanılan malzemeler şu
şekildedir:







Atmega 328 mikrodenetleyici
DC motor
DC motor sürücü devresi
Güneş paneli
Tek eksen kontrol için mekanik sistem
Besleme devresi
Algılayıcılar
2.1. Atmega 328 Mikrodenetleyici
Atmega 328 arduino uno üzerinde bulunan 14 adet dijital giriş/çıkış, 6 adet analog girişe
sahip bir mikrodenetleyicidir. Dijital pinlerinden 6 tanesi PWM (Pulse Width Modulation) için
kullanılabilmektedir (Şekil 2.1). Giriş/çıkış pinleri maksimum 40 mA e kadar akım
verebilmektedir. Mikrodenetleyici üzerinde yazılan kodların saklandığı 32 kb flash hafıza,
çalışma alanının oluşturulması ve değişkenlerin çağrılması için kullanılan 2 kb SRAM (Static
Random Access Memory) ve kullanıcı için ayrılmış 1 kb EEPROM (Erasable Programmable
Read Only Memory) bulunmaktadır.
Şekil 2.1. Atmega 328 Mikrodenetleyici
Atmega 328 mikrodenetleyicinin bir devrede kontrol birimi olarak kullanılabilmesi için
harici kristal ve kapasitör gibi bazı ek elemanlara gerek duyulmaktadır. Mikro denetleyicinin
çalışması için 1 adet 16 MHz kristale ve 2 adet 22 pF kapasitöre, ihtiyaç vardır (Şekil 2.2).
Şekil 2.2. Atmega 328 Devre Bağlantı Şeması
2.2. DC Motor
Doğru akım elektrik enerjisini, mekanik enerjiye çeviren elektrik makinasına doğru akım
motoru (DC motor) denilmektedir. Bu çalışmada güneş panelinin hareket ettirilebilmesi için
düşük devirli yüksek torklu doğru akım motoru kullanılmıştır. Kullanılan motor (titan motor)
dakikada 5 devir gibi küçük bir devir ile dönmekte ve cm başına 32 kg tork üretebilmektedir.
Maksimum yük kapasitesinde 400 mA gibi düşük miktarda akım çekmektedir.
2.3. DC Motor Sürücü Devresi
Doğru akım motorları iki telli, direk pilden enerji verildiğinde dönmeye başlayan
motorlardır. Motor girişlerine uygulanan pilin + ve – uçları yer değiştiğinde motor dönüş yönü
değişmektedir. Kullanım esnasında motor yönünün bu şekilde değiştirilemeyeceğinden dolayı
sürücü devreleri yapmak gerekmektedir.
Çok sayıda doğru akım motor sürücü devresi bulunmaktadır. Ancak bu çalışmada oldukça
popüler olan H köprüsü yöntemi ile motorun yön ve hız kontrolü yapılmıştır. H köprüsünün
çalışma prensibi Şekil 3’ de görüldüğü gibi kullanılan transistörlerin base uçlarına uygulanan lojik
sinyallerin değişmesine dayanmaktadır. Devrede gösterildiği gibi eğer 1 ve 4 numaralı
transistörlerin base tetikleme ucuna lojik 1, 2 ve 3 numaralı transistörlerin base uçlarına lojik 0
verilirse motor sola doğru dönecektir. Dolayısıyla ilgili doğruluk tablosu verilen bu örneğe göre
çıkartılabilir.
Şekil 2.3. H köprüsü çalışma şeması
Verilen şekilde H köprüsü BC237 transistörleri kullanılarak yapılmıştır. Ancak bu devre
kurulduğunda trasnsitörlerin oldukça ısındığı ve motorun düzgün bir şekilde kontrol edilemediği
görülecektir. Sadece sürücü devresinin nasıl çalıştığını anlamak için yapılan bu devre bu
çalışmada motor kontrolü için kullanılmamıştır. Bu çalışmada motor hız ve yön kontrolü için
Şekil 2.4’ deki devre ütü baskı devre yöntemi ile pcb kart üzerine aktarılarak üretilmiştir (Şekil
2.5).
Şekil 2.4. DC Motor Sürücü Devresi
Şekil 2.5. Motor Sürücü Devresi
Yapılan devreden de görüldüğü gibi sürücü devresine mikro denetleyiciden gelmesi için
2 giriş bulunmaktadır. Bu girişlerden Tablo 2.1’ e göre gönderilen lojik sinyaller gönderilerek
motor yön kontrolü yapılabilmektedir.
Tablo 2.1. Sürücü Devresi Doğruluk Tablosu
Giriş 1
ON
OFF
OFF
ON
Giriş 2
OFF
ON
OFF
ON
Motor Yönü
Sağ
Sol
Dur
İstenmeye Durum
DC motor hız kontrolü darbe genişlik modülasyonu (PWM) metodu ile yapılmaktadır. Bu
yöntemde motor uçlarına uygulanan voltaj sabit frekanslı kare dalga şeklindedir. Yani sürücüye
gönderilen lojik 0 ve 1 darbelerin genişlikleri değiştirilerek motor hızı ayarlanmaktadır. Bu
çalışmada kullanılan motor 600 Hz frekansında çalıştığı için periyot 1666 µs (mikro saniye) dir.
Motor hızı motor sürücü devresine gönderilen sinyalin doluluk oranına (duty cycle) bağlı olarak
ayarlanmaktadır. Eğer motor tam hızda döndürülmek istenirse mikro denetleyici yardımı ile
motora analogWrite(255) komutu kullanılarak 255 değeri gönderilir. 255 değeri mikro denetleyici
çıkış ADC (Analog to Digital Converter)’ sinin 8 bit olmasından kaynaklanmaktadır. Şekil 2.6’
da uygulanan doluluk oranlarına göre darbe genişlik modülasyonu görülmektedir.
Şekil 2.6. DC Motor Hız Kontrolü
2.4.
Güneş Paneli
Güneş paneli, üzerinde güneş enerjisini soğurmaya yarayan birçok güneş pili hücresi
bulunduran bir enerji kaynağıdır. Güneş pilleri / fotovoltaik piller, yarı iletken cihazların
fotovoltaik etki özelliğini yani ışığı elektrik enerjisine çevirme özelliğini kullanarak güneş
enerjisini elektrik enerjisine dönüştürürler. Bu çalışmada 15 Volt 20 W kapasitesinde 1 adet güneş
paneli kullanılmıştır.
2.5.
Besleme Devresi
Bu çalışmada 2 farklı voltaj kademesine ihtiyaç duyulmuştur. Mikro denetleyicinin
bulunduğu kontrol devresi için 5 V, motor sürücü devresi için 12 V gerilim gerekmektedir. Güneş
panelinden alınan voltaj direk devrelere uygulanmamış akü şarj devresi yardımı ile kullanılan
batarya şarj edilmiştir. Şekil 2.7’ de 12 V akü için yapılan şarj devresi gösterilmiştir.
Şekil 2.7. Akü Şarj Devresi
Kontrol birimi için gerekli 5V ise buck konvertör devresi tasarlanarak yapılmıştır. Şekil
2.8’ de lm517 entegresi kullanılarak yapılan çevirici devre gösterilmiştir.
Şekil 2.8. 15 – 5 V Çevirici Devre
2.6.
Algılayıcılar
Algılayıcılar, fiziksel ortamlarla elektronik devrelerin birbirine bağlanması için
kullanılan, kontrol sistemlerinin duyu organları olarak isimlendirilmektedir. Basınç, sıcaklık,
nem, güneş şiddeti gibi farklı değerlerin ölçülmesi için kullanılan birçok algılayıcı bulunmaktadır.
Genellikle değerler algılayıcı üzerindeki direncin değişmesi ile voltaj cinsinden ölçülmektedir.
Yani direnç ve voltaj arasındaki ilişki göz önüne alınarak ölçümler yapılmaktadır.
Bu çalışmada güneş takip sistemi üzerindeki panellerin değişik noktalarına yerleştirmiş
güneş şiddetini ölçen 2 adet fotodirenç kullanılmıştır. Fotodirenç sensörü ya da LDR (Light
Dependent Sensor) ışığa bağlı, ters orantılı olarak direnci değişen bir algılayıcıdır. Güneş paneli
üzerine baş ve son kısımlar olmak üzere sensörler yerleştirilmiştir. Baş ve son kısımlardaki
sensörlerin aynı güneş şiddetini görmesi için bu sensör değerleri sürekli olarak okunmaktadır.
Çalışmada kullanılan fotodirenç sensörleri direnç değişimine göre voltaj bilgisi
vermektedir. Kullanılan atmega 328 mikro denetleyicisinin analog giriş pinlerine, uygun direnç
yardımı ile bağlanan sensörden okunan değerler, denetleyicinin giriş ADC değeri 10 bit olduğu
için 0-1023 arasında değişmektedir. Aslında 0-1023 arasındaki değerin lineer olarak karşılığı 0-5
V’ tur.
Şekil 2.9’da denetleyici algılayıcı bağlantısı gösterilmiştir.
Şekil 2.9. Atmega 328 LDR Bağlantısı
3. BULANIK MANTIK KONTROL SİSTEMİ
Bulanık mantık (fuzzy logic) kavramı, ilk kez 1965’ te Prof. A. Zadeh’ in makalesiyle
duyulan, belirsizliklerin anlatımı ve belirsizliklerle çalışılabilmesi için kurulmuş matematiksel
düzen olarak ifade edilmektedir (Zadeh, 1965). Bulanık kelimesi kesin/net olmayan, karışık, belli
belirsiz şeklinde tanımlanmaktadır. Adından da anlaşılacağı üzere bu kontrol sisteminde,
belirsizlik ortamında akıl yürütme mantığı ile değerlendirilme yapılarak yaklaşık sonuç elde
edilmesi amaçlanır. Dünyadaki birçok modellenemeyen dinamik sistemler için uygun olan bu
kontrol sistemi klasik Aristo mantığının aksine sadece 0 ve 1’ lerle değil tüm ara değerler ile
ilgilenerek sistemin tüm durumlarını inceleme imkânı vermektedir.
Bu çalışmada güneş takip sistemi bulanık mantık kullanılarak kontrol edilmiştir. Sistem
üzerindeki 2 farklı fotodirenç sensöründen alınan veriler, kontrol sistemine girdi olarak
uygulanmıştır. Uygulanan girdiler bulanık kontrolün ilk birimi olan bulanıklaştırıcı birime girerek
bir ölçek değişikliği ile bulanıklaştırılmaktadır. Başka bir deyişle; bu bilgilerin her birine bir
üyelik değeri atanıp, dilsel bir yapıya dönüştürülerek, buradan kural işleme birimine gönderilir
(Kıyak, 2003). Kural işleme birimine gelen bilgiler, bu birimde oluşturulan
‘if…..and…..then….else’ gibi kural işleme bilgilerine uygun olarak modellenen kurallar ile
birleştirilir. Girişlerden ve bu kurallardan oluşan girdiler çıkarım birimine gönderilerek bir sonuç
elde edilir. Bir sonraki adımda ise kuralların neticesinde elde edilen sonuçların durulaştırıcı
birimine gönderilerek bir ölçekten daha geçirildikten sonra gerçel sayılara dönüştürülmesi
sağlanır.
Bu çalışmada üyelik fonksiyonu olarak üçgen tip seçilmesi uygun görülmüştür. Üyelik
fonksiyonları ve bulanık kontrol sistemi Matlab programı vasıtasıyla oluşturulmuştur.
Oluşturulan giriş ve çıkış üyelikleri Şekil 3.1’de gösterilmiştir.
Şekil 3.1. Birinci LDR ve çıkış üyelik fonksiyonları
Üyelik fonksiyonları için tanımlanan üyelik etiketleri şu anlama gelmektedir:





NB = negatif büyük
NK = negatif küçük
Z = sıfır
PK = pozitif küçük
PB = pozitif büyük
Kontrol sistemine birinci ve ikinci fotodirenç sensörlerinden alınan veriler giriş olarak
uygulandı. Çıkış olarak, hızı ve yönü kontrol edilecek DC motorun PWM sinyalinin doluluk oranı
ve yön kontrolü ayarlandı. N ile başlayan değerler motorun saat yönü tersine, P ile başlayan
değerler motorun saat yönüne dönmesini sağlamaktadır. Doluluk oranı ise motorun hızlı ve yavaş
dönmesi ve hiç dönmemesi için uygun üyelik değerleri seçilerek ayarlanmıştır. Tablo 3.1’ de
sistemin doğruluk tablosu bulunmaktadır.
Tablo 3.1. Bulanık Kontrol Sistemi Doğruluk Tablosu
LDR1
NB
NK
Z
PK
PB
Z
NK
NB
NB
NB
PK
Z
NK
NB
NB
PB
PK
Z
NK
NB
PB
PB
PB
Z
NK
PB
PB
PB
PK
Z
LDR2
NB
NK
Z
PK
PB
Şekil 3.2’ de Matlab programında oluşturulan kuralların çıktısını gösteren yüzey tablosu
gösterilmiştir.
Şekil 3.2. Matlab Kural Yüzey Görüntüsü
Güneş enerji sisteminin voltaj ve akım bilgisi gerçek zamanlı olarak izlenmiştir. Aynı
saatlerde sabit açıda duran sistem ile takip sisteminin aktif olduğu yani açının sürekli değiştiği
sistem arasındaki fark Şekil 3.3’ de gösterilmiştir.
Şekil 3.3. Sabit Ve Hareketli Açılı Sistemlerin Güç – Saat Grafiği
Tablo 3.2’ de takip sistemi bulunan ve bulunmayan sistemden anlık olarak ölçülen voltaj,
akım ve güç bilgileri verilmiştir. Bu sonuçlardan da anlaşılacağı üzere takip sistemi kullanılan
sistemde elde edilen enerji artmıştır.
Tablo 3.2 Sabit Açılı Ve Hareketli Sistemlerin Voltaj, Akım Ve Güç Grafikleri
Takip sistemi var
V
I
P
Saat (V) (A) (W)
13
1,3 16,9
11.00
14,5
1,32
19,14
12.00
15 1,34 20,1
13.00
14.00 14,9 1,21 18,03
15.00 15,1 1,2 18,12
16.00 12,8 0,9 11,52
103,8
Toplam
Takip sistemi yok
V
I
P
(V) (A) (W)
11,2
1
11,2
13,9 1,28 17,79
15 1,32 19,8
14,3 1,1 15,73
13
1
13
10 0,81 8,1
85,6
Tablo 3.2’den takip sisteminin yapıldığı ve yapılmadığı durumlar için elde edilen toplam
güç değerleri dikkate alındığında verimin % 21.2 arttığı görülmektedir.
Verimlilik =
(103.8−85.6)∗100
85.6
= % 21.2
Şekil 3.4’ de bu çalışma kapsamında hazırlanan tek eksen güneş takip sistemi
gösterilmiştir.
Şekil 3.4. Tek Eksen Güneş Takip Sistemi
4. SONUÇ
Bu çalışmada geleceğin en önemli enerji kaynağı olan güneş enerji sistemin de
verimliliğin artırılması için güneş takip sistemi tasarlanmıştır. Tasarlanan güneş takip sisteminin
kontrolünde bulanık mantık kullanılmıştır. Çalışma kapsamında kontrol, motor sürücü ve besleme
devresi ile bir adet tek eksen güneş takip sisteminin mekaniği hazırlanmıştır.
Yapılan çalışma sonucunda tek eksen güneş takip sistemi kullanılan sistemlerden elde
edilen enerjinin, kullanılmayan sistemlere göre % 21.2 oranında arttığı gözlemlenmiştir.
Verimliliğin % 20 gibi oldukça düşük olduğu güneş enerjisinden elektrik üretimi için dizayn
edilen sistemlerin, güneş takip sistemleri ile birleştirilerek verimliliğin artırılabildiği gözlenmiştir.
İleriki çalışmalarda güneş takip sisteminin 2 eksende uygulanması planlanmaktadır.
Verimlilik hesabı için gerçek zamanlı veri iletimi konusunda bir arayüz tasarlanacak ve sistem
sürekli olarak takip edilebilecektir. Bulanık mantık kontrol sistemine girdi olarak mevcut
algılayıcılara ilave algılayıcılar eklenecek ve hassasiyet optimum seviyeye getirilecektir.
KAYNAKLAR
Altın, V. 2004. Güneş Enerjisinden Yararlanılarak Elektrik Üretimi, Mimar ve Mühendis Dergisi, 33, 2831.
Benghanem M. (2011). Optimization of tilt angle for solar panel: Case study for Madinah, Saudi Arabia,
Applied Energy 8, s:1427–1433.
Figueiredo J. M. G. and Costa J. M. G. S. (2008). Intelligent Sun-Tracking System for Efficiency
Maximization of Photovoltaic Energy Production, ICREPQ’08. Int. Conference on Renewable
Energies and Power Quality. Symposium, Santander.
Gül, R. Rüzgâr Türbinleri ve Kuşlar,
https://www.climateinvestmentfunds.org/cif/sites/climateinvestmentfunds.org/files/4%20Worldba
nk_sunum.pdf (30 Haziran 2015)
Irina T. and Cătălin A. (2010). A Study on the Tracking Mechanisms of the Photovoltaic Modules,
Fascicle of Management and Technological Engineering, Vol: IX, s: 59-66.
Kıyak E. (2003). Bulanık Mantık Yöntemiyle Uçuş Kontrol Uygulamaları, Yüksek Lisans Tezi, Anadolu
Üniversitesi
Make Solar Energy Economical, http://www.engineeringchallenges.org/9082.aspx (30 Haziran 2015)
Saxena A. K. and Dutta V. (1990). A Versatile Microprocessor Based Controller for Solar Tracking,
21.IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Kissimmee.
Yenilenebilir Enerji, http://tr.wikipedia.org/wiki/Yenilenebilir_enerji (30 Haziran 2015)
Zadeh, L. A. (1965). Fuzzy Sets, Information and Control, 8, 338-353.