Evsel Uygulamalar için Güneş Enerji Sisteminin Geliştirilmesi

Abstract

Medeniyetin gelişimi insanlığın enerjiyi kullanma beceri, yöntem ve yoğunluğu ile doğrudan takip edilebilir. İnsan yapabilmek için enerjiye muhtaçtır ve sanayi devriminden sonra barizleşen bir olgu olarak bu ihtiyacın büyüklüğü ve nitelik çeşitliliği oldukça artmıştır. Mevcut elektrik enerjisi üretiminin büyük çoğunluğu hidrokarbon temelli fosil yakıtlar ile sağlanmaktadır. Bu kaynaklar yeryüzünde sınırlıdır ve kalan rezervleri elde etmek için gerekli çaba ve masraf sürekli artmaktadır. Bu kaynakların enerji dönüşüm verimleri düşüktür ve çevreye verdikleri zararlar oldukça fazladır. Bu nedenle, yenilenebilir enerji kaynaklarının elektrik enerjisi üretimindeki payları hala düşük olsa da bu yöntemlerin kullanım oranını yükseltme hızı hidrokarbon temelli enerji üretimine göre yüksektir. Fotovoltaik sistemler, büyük ölçekli santraller şeklinde şebeke beslemek adına kurulabileceği gibi bu çalışmanın odaklandığı alan olarak evsel kullanımlar için uygun uygulamalarda da gerçekleştirilebilir. Evsel fotovoltaik sistemler, kolektif olarak enerji arzında önemli paylar elde edebilirler. Bununla beraber evsel uygulamalar yüke yakın yerlere kurulmuş olacağından geleneksel büyük santraller ve uzun iletim hatlarından kaynaklanan kayıpları en aza indirgeyebilirler ve bu sistemler şebekenin henüz ulaşamadığı yerlerde etkin bir alternatif olabilirler. Bu tez çalışmasında şebekeden bağımsız fotovoltaik elektrik enerjisi üretim sistemi önerilmiş ve simülasyon çalışması gerçekleştirilmiştir. Sistemde 6 adet seri panel ve 2 adet paralel koldan oluşan toplam 12 adet panel kullanılmıştır. Panellerden oluşan fotovoltaik dizi matematiksel olarak modellenmiştir. Panellerin çıkışında yükseltici DC-DC dönüştürücü kullanılmıştır. Bu dönüştürücü maksimum güç takibi yöntemlerinden olan değişim ve gözlem (DeG) yöntemi ile kontrol edilmiştir. Böylece farklı ışınım ve sıcaklık değerleri için panellerden maksimum güç çekilebilmektedir. Sistemde enerji depo birimi olarak batarya yer almaktadır. Panellerde üretilen ve yükün talebinden fazla olan enerji bataryalarda depolanmaktadır. Batarya ile DC bara arasında çift yönlü enerji akışını kontrol edebilmek için çift yönlü DC-DC dönüştürücü kullanılmıştır. Böylece bataryaların şarj ve deşarj akımı kontrol altında tutulabilmiştir. Sisteminde çıkışında ise AC yükün enerji ihtiyacını karşılamak için tek fazlı tam köprü bir evirici kullanılmıştır. Evirici çıkşındaki LC filtre ile 220 V büyüklüğünde ve 50 Hz frekansında yük gerilimi elde edilmiştir. Sistemin farklı koşullar altındaki çalışma performansını ortaya koyabilmek için panellerin ışınım ve sıcaklık değerleri değiştirilmiştir. Farklı değerler uygulanarak panellerin enerji üretimi ile yükün enerji talebi arasındaki denge değiştirilmiş ve bataryanın şarj ve deşarj olma durumları gözlemlenmiştir. Yine bataryaların aşırı şarj ve aşırı desarj durumları ve bu durumlardaki koruma algoritmalarının cevabı incelenmiştir. Yapılan çalışma sonunda önerilen sistemin şebeke olmayan bir bölgede elektrik enerjisi ihtiyacının sağlanmasında yeterli olacağı görülmüştür. Tez çalışması kapsamında sistem boyutlandırılması yapılmamıştır. Sahada gerçekleştirilecek uygulamalarda yükün enerji ihtiyacının kesintisiz olarak karşılanabilmesi için boyutlandırma yapılarak panel gücü ve akü kapasitesi uygun değerlerde seçilmelidir.

The development of civilization can be tracked directly by the facilities, methods and intensity of mankind's use of energy. In order to be able to do human beings are in need of energy and as a phenomenon that becomes clear after the industrial revolution, the size of this need and the variety of qualities have increased considerably. Most of the current electric energy production is provided by hydrocarbon-based fuels. These resources are limited on earth and the effort and expense required to obtain the remaining reserves is constantly increasing. Conversion efficiency of them are limited and they has significally irreversible damage effects on the environment. For this reason, although the share of renewable energy sources in electricity generation is still low, the rate of increase of the ration of usage of these methods is higher than the hydrocarbon based energy production. Photovoltaic systems can be installed in the form of large-scale power plants for feeding network , as well as suitable applications for domestic use as the focus of this study. Domestic photovoltaic systems collectively can gain significant shares in energy supply. However, since domestic applications will be installed close to the load, losses from traditional large power plants and long transmission lines can be reduced to the greatest, and these systems can be an effective alternative where the network has not yet reached. In this thesis, a off-grid photovoltaic systems is proposed and simulation study is carried out. A total of 12 panels, consisting of 6 serial and 2 parallel arms, are used in the system. The photovoltaic array consisting of panels is mathematically modeled. The boost DC-DC converter is used at the output of the panels. This converter is controlled by the perturb and observation method (P&G) which is one of the maximum power point tracking methods. Thus, maximum power can be drawn from the panels for different radiation and temperature values. The system includes the battery as an energy storage unit. Energy produced in panels more than the demand of the load is stored in batteries. The bidirectional DC-DC converter is used to control the bi-directional energy flow between the battery and the DC bus. Thus, the charge and discharge current of the batteries were kept under control. At the output of the system, a single-phase full-bridge inverter is used to meet the energy demand of the AC load. With the LC filter at the outlet of the inverter, a load voltage of 220 V and a frequency of 50 Hz is obtained. The radiation and temperature values of the panels have been changed in order to demonstrate the performance of the system under different conditions. By applying different values, the balance between the energy production of the panels and the energy demand of the load has been changed and the charge and discharge conditions of the battery have been observed. In addition, the overcharging and over-discharge of the batteries and the response of the protection algorithms in these cases have been examined. At the end of the study, it is seen that the proposed system would be sufficient to provide the electrical energy demand in a non-network area. The system has not been dimensioned within the scope of the thesis study. In order to meet the energy needs of the load continuously in the applications to be performed in the field, panel power and battery capacity should be selected at appropriate values.