ELEKTRİK ÜRETİMİ İÇİN YENİLENEBİLİR ENERJİ ARAŞTIRMASI

(1)

ELEKTRİK ÜRETİMİ İÇİN

YENİLENEBİLİR ENERJİ ARAŞTIRMASI

(2)

ELEKTRİK ÜRETİMİ İÇİN YENİLENEBİLİR

ENERJİ ARAŞTIRMASI

• Yenilenebilir Enerjiye Bir Bakış 3 • Güneş Enerjisi ile Elektrik Üretimi 10

▫ Termal Güneş Enerjisi ile Elektrik Üretimi 11 ▫ Fotovoltaik Yöntem ile Elektrik Üretimi 40

• Rüzgar Enerjisi ile Elektrik Üretimi 139 • Jeotermal Enerji ile Elektrik Üretimi 219 • Okyanus Enerjisi ile Elektrik Üretimi 251

▫ Gelgit Enerjisi ile Elektrik Üretimi 252

▫ Dalga Enerjisi ile Elektrik Üretimi 273

▫ Okyanustan Termal Enerji Çevrimi ile Enerji Üretimi 289

• Biyokütle Enerjisi ile Elektrik Üretimi 294

• Su Gücü ile Elektrik Üretimi 300

• Hidrojen Enerjisi ile Elektrik Üretimi 308 • Finansal ve Ekonomik Açıdan Yenilenebilir Enerji 314

(3)

YENİLENEBİLİR ENERJİYE BİR BAKIŞ

• Enerji; İnsan

• Enerji Kaynağı; Güvenlik, Yeterlilik ve Erişim

• Talep; Trend

(4)

YENİLENEBİLİR ENERJİYE BİR BAKIŞ

• Dünyadaki mevcut elektrik üretim sistemleri:

▫ Fosil Yakıtlar ▫ Nükleer Güç

▫ Yenilenebilir Kaynaklar

(5)

YENİLENEBİLİR ENERJİYE BİR BAKIŞ

• Fosil Yakıtlar (Ağaç, Kömür, Petrol, vb.)

• Mevcut enerji kaynakları çoğunlukla fosil • Fosil kaynakların üretimi ve ulaşımı çok

ekonomik

• Güç santrallerinde diğer enerji tiplerine dönüşümünün maliyeti daha ucuz

• En büyük avantajı hazır olması

• Müşteri talebinin olduğu her yerde kullanılabilir

(6)

YENİLENEBİLİR ENERJİYE BİR BAKIŞ

• Nükleer güce erişim pek kolay değil

▫ Maliyet, güvenlik, teknoloji, kaynak,... • Sadece gelişmiş ülkelerde kullanılıyor

(7)

YENİLENEBİLİR ENERJİYE BİR BAKIŞ

• Yenilenebilir enerji kaynakları tükenmezler

• Erişimi kolaydır ve doğada bolca bulunur • Hava kirliliğine diğerleri kadar yol açmaz • İnsan sağlığında meydana gelecek zararları

azaltır

• Fosil yakıtların kullanımını dengelerler

(8)

YENİLENEBİLİR ENERJİYE BİR BAKIŞ

• 2005 yılında tüm dünyada elektrik üretimi

17450TWh

• Yenilenebilir enerji sektörü şu anda

Toplam ihtiyacın

%13,5 unu karşılıyor

(9)

YENİLENEBİLİR ENERJİYE BİR BAKIŞ

• 21.yy ortalarında uygun yasalar hazırlanır ve

gerekli teknolojik ilerlemeler sağlanırsa, toplam enerji talebinin %50sini karşılayabilecek

potansiyelde • Çeşitleri:

Güneş(Termal ve Fotovoltaik), Rüzgar,

Jeotermal, Okyanus (Dalga, Gelgit ve Termal Çevrim), Biyokütle, Su Gücü, Hidrojen

(10)

GÜNEŞ ENERJİSİ İLE ELEKTRİK ÜRETİMİ

• Güneş enerjisi doğada bolca bulunur.

• Işıma enerjisi güneşteki füzyon işlemleri ile meydana gelir.

• Diğer tüm enerji çeşitleri ile alakası vardır. • Güneş rüzgarı sürer. Güneşle ilgisi olmayan

kaynaklar, nükleer ve okyanus kaynaklarıdır. • İki çeşittir:

▫ Termal Güneş Enerjisi Sistemleri

▫ Fotovoltaik Sistemler

(11)

TERMAL GÜNEŞ ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Güneşteki ışıma ile açığa çıkan termal enerjiyi toplar ve kullanır.

• Su ve oda ısınımı Düşük sıcaklık

• Elektrik jeneratörlerini sürmek için yoğunlaşma ile buhar üretimi (CSP) Yüksek sıcaklık

(12)

TERMAL GÜNEŞ ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

(13)

TERMAL GÜNEŞ ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Binlerce güneş izleyici ayna (heliostat)

tarafından toplanılan güneş enerjisi, kulenin tepesindeki alıcıya yansıtılır.

• Ortaya çıkan çok büyük miktarlardaki enerji yüksek sıcaklıkta tuzu eritmek için kullanılır.

• Erimiş tuz, ihtiyaç anında kullanılmak ve türbini sürmek için depolama tanklarında depolanır.

(14)

TERMAL GÜNEŞ ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Buhar üretildikten sonra , kullanılan erimiş tuz düşük sıcaklıktadır ve soğuk tuz depolama

tankına gönderilir.

• Soğuk tuz, alıcı kuleye basılarak tekrar eritilir ve bir döngü oluşturulur.

(15)

TERMAL GÜNEŞ ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Kullanılan enerji, çalışma sıcaklarına bağlıdır. • Maksimum termodinamik çevrim verimliliği:

• Yüksek sıcaklığın fazlalığı ve düşük sıcaklığın azlığı santral verimini artırır.

(16)

TERMAL GÜNEŞ ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Bu şemanın en büyük faydası, saatler boyunca

güneş enerjisini depolama performansında kayıp olmamasıdır.

• PV’den daha ucuz ve etkilidir.(Pil ve AC invertör maliyeti yok)

• Dezavantajı, sadece geniş ölçekli uygulamalarda kullanılabilir olmasıdır.

(17)

TERMAL GÜNEŞ ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Enerji Toplama: ▫ Parabolik kanal

▫ Merkez alıcı (Güç kulesi)

▫ Parabolik çukur (Stirling Teknolojisi)

(18)

TERMAL GÜNEŞ ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Parabolik Kanal:

▫ En yaygın kullanılan modellerden biridir. ▫ Konkav ve parabolik şekillidir.

▫ Güneşi doğudan batıya izler. ▫ Özel sistemler 80MW elektrik üretebilir.

▫ Sentetik yağ sıcaklıklığı 370C ye kadar yükselir.

(19)

TERMAL GÜNEŞ ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Parabolik Kanal:

▫ İlki 1984 yılında Kaliforniyona’nın Mojave çölüne SEGS tarafından kuruldu.

▫ 1990’da 354MW’a ulaştı.

▫ Güneşten elektriğe çevrim verimi %12 ile %25 arasındadır.

▫ Depolamasız kapasite faktörü ise %26 ile %28 arasındadır.

(20)

TERMAL GÜNEŞ ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Merkez alıcı(Güç kulesi):

▫ Her gündüşürücü çift eksenlidir. ▫ Parabolik kanaldan daha fazla yoğunlaşma sağlar.

▫ Çalışan malzemenin sıcaklığı yüksektir, genelde tuzdur.

▫ Yüksek Carnot verimliliği sağlar.

(21)

TERMAL GÜNEŞ ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Merkez alıcı(Güç kulesi):

▫ Onlarca ve yüzlerce MW kapasiteli geniş ölçekli santrallerde kullanılır.

▫ İlk ticari santral 2007’de Sevilla’ya Abengoa şirketi tarafından kuruldu.(PS10)

▫ 114m kule, 624 gündüşürücü (her biri 120 m2)

▫ Güneşten elektriğe çevrim verimi %17’dir.

(22)

TERMAL GÜNEŞ ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

Planta Solar 10

(23)

TERMAL GÜNEŞ ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

(24)

TERMAL

GÜNEŞ

ENERJİSİ

İLE

ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Parabolik çukur (Stirling Teknolojisi) 24

(25)

TERMAL GÜNEŞ ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Parabolik çukur(Stirling Teknolojisi):

▫ KW derecesinde elektrik üretimi için kullanılır. ▫ Parabolik çukur güneş ışığına yoğunlaşır.

▫ İki eksenli güneş izleme aynası, ışınları yüksek derece doğrulukla izler ve yüksek verim oranı sağlar .

▫ Odaklanmış alıcı 650 C ye ısıtılır.

▫ Emilmiş ısı, ısı enerjisini mekanik enerjiye çeviren Stirling motorunun kullanılması ile jeneratörü sürerek elektrik üretir. ▫ Yeterli güneş ışığı yoksa, fosil veya biyolojik yakıtlardan

içten yanma ile Stirling motoru sürülebilir. ▫ Sistem verimi %20 üzerindedir.

▫ Maliyeti diğer sistemlerden çok daha fazladır.

▫ Geniş ölçekli üretimlerle maliyet azaltımı sağlanabilir.

(26)

TERMAL GÜNEŞ ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

(27)

TERMAL GÜNEŞ ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Güneş Bacalı Güç Santrali:

(28)

TERMAL GÜNEŞ ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Güneş Bacalı Güç Santrali:

▫ Uzunluğu 1000m yüksek bacaya (kule) sahiptirler.

▫ Bu baca cam veya plastik çerçeve ile desteklenmiş, 5000 m ye kadar varan çatı toplayıcılar ile çevrilidir.

▫ Güneş zemini ve çatı toplayıcısı altındaki havayı ısıtır,

ısınan hava bacaya ulaşıncaya kadar çatının yukarı yöndeki eğimini takip eder.

▫ Isınmış hava, burada baca içerisine doğru yüksek hızla akarak, yukarıdaki rüzgar jeneratörlerini sürer ve elektrik üretir.

▫ Verim şu anda %2 nin altında.

▫ Geniş alan gereksiniminden dolayı, ucuz veya boş alanlara kurulabilir. Genellikle çöl bölgelerinde kurulurlar.

(29)

TERMAL GÜNEŞ ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Güney Avustralya, ▫ Güneş yakalama alanı: 11km2 [Cam muhafazalı] ▫ Beton baca, 140m çapında, 1000m boyunda ▫ Tepesinde 32

rüzgar türbini var ▫ Toplam Kapasite:

200MW

(30)

TERMAL GÜNEŞ ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Ticari Güç Santralleri:

▫ Kapasiteleri birkaç yüz MW seviyesindedir.

▫ NREL tarafından yapılan 100MW lık prototip

dizaynında mevcut teknolojinin %23lük bir verime sahip olduğu görülmüştür.

▫ Karşılaştırma açısından:

 Yaygın kömür termal santraller %40, kristalize

özelliği olmayan silikonlu PV %6-8, kristalize özelliği olan silikon %12-15 ve çok bağlantılı ince film

teknolojisi PV’lerin verimi %20-25 arasındadır.

(31)

(32)

TERMAL GÜNEŞ ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Araştırmalarda elde edilen bilgilere göre: ▫ 200 MW lık santraller için gerekli alan 3mil

karedir. Gelecekte daha yüksek kapasiteliler inşa edilebilir.

▫ Santral kapasite faktörü %65’e kadar çıkarılabilir. ▫ Yıllık %20’lik bir çevrim verimi başarılabilirdir. ▫ Teknolojinin termal enerji depolama özelliği

şebekenin yüksek taleplerini karşılayabilir.

▫ Kademelendirilmiş enerji maliyeti yaklaşık 7 ile 9 cent/KWh arasındadır.

(33)

TERMAL GÜNEŞ ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Araştırmalarda elde edilen bilgilere göre:

▫ İlk birkaç ticari güç santrali için sermaye maliyeti KW başına 2000 dolardır.

▫ Karşılaştırma yapıldığında Rüzgar ve PV’ye göre termal güneş enerjisi sistemleri pek modüler

değildir. Ekonomik boyutları 100MW-300MW arasındadır.

▫ Şebeke ölçeğinde merkez alıcılı bir sistemin üreteceği elektriğin maliyeti büyüklüğe bağlı olarak 6 ile 10 cent/KWh arasındadır.

(34)

TERMAL GÜNEŞ ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Teknolojik Gelişmeler ve Trendler: ▫ İnşaası sürenlerle birlikte yeni CSP

santrallerininin yapılması gündemde.

▫ İspanya’da Abengoa PS10’un yanına 20MW bir CPS santrali inşa ediyor.

▫ Avrupanın ilk parabolik kanallı ve dünyanın ilk

erimiş tuz depolu parabolik kanal sistemi AndaSol projesi mevcut.

▫ İspanya önümüzdeki 5 ile 7 yıl içerisinde 10GW CSP santrali yapacak. Ayrıca Amerika’da da

projeler var.

(35)

TERMAL GÜNEŞ ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Teknolojik Gelişmeler ve Trendler:

▫ Güneş yoğunlaşmasında yüksek sıcaklıktaki

kimyasal işlemler üzerine çalışmalar boy gösterdi. ▫ Önceki sisteme benzeyen bu sistemde farklı olarak

kimyasal reaktör eklenmiş.

▫ Bu sistem kesintili olarak çalışan güneş enerjisinin uzun dönemli depolanmasını sağlıyor.

(36)

TERMAL GÜNEŞ ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Gelecek Beklentileri: ▫ 2020’ye kadar

 Amerika ve diğer ülkelerde CSP sistemlerinin ticari olarak uygun duruma gelmesine rağmen, kanal

sistemleri hala Amerika CSP piyasasını domine

ediyor. 4GW’lık imzalanmış satın alma anlaşmaları ve ek planlanmış projeler uygun finansal

politikalarla 2020’de önemli bir büyüme kaydedecek.

(37)

TERMAL GÜNEŞ ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Gelecek Beklentileri: ▫ 2020’ye kadar

 Kısa zamanda dizayndaki gelişmelerin artması ile maliyetler ve performanstaki belirsizlikler daha da azalacak.

 Yansıtıcı tiplerinin büyümesi, düşük maliyetli

yapılar, daha iyi optik ve yüksek doğrulukla izleme ile çalışma sağlandığında gündüşürücü ve çukur yoğunlaştırıcının maliyetleri düşecektir.

(38)

TERMAL GÜNEŞ ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Gelecek Beklentileri: ▫ 2020-2035 arası

 Mevcut iletim sistemlerindeki yeni talepler, hatlarda yenileşme ve gelişmeye neden olabilir.

 Uzun süreli depolama sağlanırsa, bu dönemde CSP elektrik üretiminin büyük çoğunluğunu sağlayabilir.

(39)

TERMAL GÜNEŞ ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Gelecek Beklentileri: ▫ 2035ten sonra

 Uzun dönemde, yoğunlaştırılmış güneş gücü yakıt üretimi için kullanılabilir, bu yüzden de tersinir kimyasal reaksiyonlar depolama amaçlı

kullanılabilir.

(40)

FOTOVOLTAİK YÖNTEM İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Güneş ışığının direk olarak elektriğe çevrilmesidir.

• 1839, Işık etkisi, Becquerel

• 1954, Bell Laboratuarları, İlk güneş pili (%5 Verim)

• Amaç, dünya yörüngesindeki uyduların elektrik ihtiyacı

(41)

FOTOVOLTAİK YÖNTEM İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Silikon güneş pilleri, %25 verim

• Son yıllarda maliyet azalsada, elektrik üretim maliyetlerine bakıldığında diğerlerinden yüksek • En büyük avantajı modülerlik

• mW’tan MW’a kadar bir aralıkta geçerli

• Japonya ve Almanya gibi ülkeler büyük, devlet destekli projeleri başlattı

(42)

FOTOVOLTAİK YÖNTEM İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• 1990’dan beri onbinlerce şebeke bağlantılı sistemin kurulması, bu teknolojinin

sürdürelebilirliğini kanıtlıyor.

• Teorik olarak, PV sistemler dünyanın birçok ülkesindeki elektrik enerjisi ihtiyacını

karşılayabilecek düzeyde.

• 2000’den 2008’e kadar %40 arttı ve 2007’de 3.4GW’lık PV modül üretildi.

(43)

FOTOVOLTAİK YÖNTEM İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Güneş Pili

▫ Güneş pili fiziksel olarak p-n bağlantılı klasik diyota benzemektedir.

(44)

FOTOVOLTAİK YÖNTEM İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Güneş Pili Teknolojileri:

▫ Fotovoltaik sistemlerde maliyeti etkileyen en

önemli unsur fotovoltaik enerji çevirim verimidir:

(45)

FOTOVOLTAİK YÖNTEM İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Tek kristalize silikon:

▫ Endüstrideki en yaygın pil malzemesidir.

▫ %14-18 arasında bir verimi vardır.

▫ Tomruk, elmas testere ile 200 ile 400 m yoğun

plakalara kesilir.

▫ Panel alanı çok fazla değilse de, kullanımı ekonomiktir.

(46)

FOTOVOLTAİK YÖNTEM İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Çok veya yarı kristalize silikon:

▫ Çevrim verimi daha düşüktür, fakat maliyeti çok daha azdır.

• İnce katlı pil:

▫ Piyasadaki yeni tiplerdendir.

▫ CIS (Bakır İndium Diselenide), CdTe(Kadmiyum Tellüride) ve GaAs(Galyum Arsenide) ince katlı malzemelerdir.

▫ 2004, NREL, CIS, %18 verim

(47)

FOTOVOLTAİK YÖNTEM İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Kristalize yapıda olmayan silikon:

• Bu teknolojide, 2 m yoğunlukta kristalize yapıda olmayan silikon buharlı kat camda veya

paslanmaz çelik ruloda depolanır.

• Kristalize silikonla karşılaştırılırsa, bu teknoloji malzemenin %1’ini kullanır.

• Verimliliği kristalize silikonun yarısı kadardır.

(48)

FOTOVOLTAİK YÖNTEM İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Küresel Pil:

▫ Laboratuar ortamında

▫ Güney Kaliforniya Edison Şirketi 100ft2 lik

küresel panelde Güney Kaliforniya iklimi altında yılda 2000KWh lık elektrik enerjisi elde

edileceğini hesaplıyor.

(49)

FOTOVOLTAİK YÖNTEM İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Yoğunlaştırıcı Pil:

▫ Çevrim verimini artırmak için, düşük maliyetli lensler yardımıyla küçük bir alanda

yoğunlaştırılıyor.

▫ Standart pillere göre alan ihtiyacı çok az.

▫ %37lik verim tahmin ediliyor. ▫ Her alanda avantajlı. Sadece odaklanmadaki optik maliyeti artırıyor.

▫ Avustralya ve İspanya’dan ▫ ilgi görüyor.

(50)

FOTOVOLTAİK YÖNTEM İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Çok Bağlantılı Pil:

▫ Çok katmanlı yarı iletken malzeme kullanarak verimi artırır.

▫ GaInP(Galyum İndium Fosfide), GaAs(Galyum Arsenide), Ge(Germanyum) üç bağlantılı pil ile NREL ve SpecroLab(Boeing) %34’lük bir verim elde etti.

▫ Verimin %40’a kadar artabileceği düşünülüyor.

(51)

FOTOVOLTAİK YÖNTEM İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Modül ve Panel:

(52)

FOTOVOLTAİK YÖNTEM İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Güneş pili yaklaşık 1W’lık güç üretir.

• Yüksek güç elde etmek için, birçok sayıda pil bir panel üzerinde paralel veya seri bağlanır.

• Güneş paneli birçok modülün seri ve paralel kombinasyonudur.

(53)

FOTOVOLTAİK YÖNTEM İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

1. Çerçeve 2. Hava geçirmez bağlantı kutusu 3. Güç plakası 4. 30 yıllık hava korunumu 5. Güneş pili 6. Sertleştirilmiş yüksek-iletimli cam kapak 7. Dış elektrik barası 8. Çerçeve açıklığı 53

(54)

FOTOVOLTAİK YÖNTEM İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

(55)

FOTOVOLTAİK YÖNTEM İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Panel Dizaynı:

Güneş panellerinin dizaynını etkileyen temel faktörler:

▫ Güneş şiddeti ▫ Güneş açısı

▫ Maksimum güce karşılık gelen yük ▫ Çalışma sıcaklığı

(56)

FOTOVOLTAİK YÖNTEM İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Güneş şiddeti

Işıkakımı büyüklüğü: Tam parlak güneş: 1.0 Bulutlu havada : 0.5 Düşük ışık şiddetinde, kısa devre akımı belirgin bir şekilde azalırken, açık devre gerilimi onunla

karşılaştırdığımızda daha düşük bir oranla azalıyor.

(57)

FOTOVOLTAİK YÖNTEM İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Işık çevrim verimi güneş yayılımına duyarsızdır. • Bulutlu ve güneşli günlerde verim aynıdır.

(58)

FOTOVOLTAİK YÖNTEM İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Güneş açısı Pil çıkış akımı 0 ile 50 arasında formül

işlerken, 85 den sonra pilin çalışması duruyor.

Matematiksel olarak %7.5lık bir güç üretimi hesaplanır.

(59)

FOTOVOLTAİK YÖNTEM İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Bu durum Kelly Kosinüs ile ifade edilir.

(60)

FOTOVOLTAİK YÖNTEM İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Sıcaklık Etkisi

Artan sıcaklık ile,

pilin kısa devre akımı artar ve açık devre

gerilimi azalır.

(61)

FOTOVOLTAİK YÖNTEM İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

Düşük sıcaklıkta elde edilecek maksimum güç yüksek sıcaklıktakinden daha fazladır.

(62)

FOTOVOLTAİK YÖNTEM İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Elektriksel yüklerin karşılaştırması

(63)

FOTOVOLTAİK YÖNTEM İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Gücün Tepe Noktasında Olma Süreci Dinamik Empedans

Statik Empedans

(64)

FOTOVOLTAİK YÖNTEM İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Sistem Elemanları

▫ Panel tek başına PV güç sistemini oluşturmaz.

 Monte etmek için ayrı bir yapıya,  Güneşe yöneltmek için takipçiye,

 Sistem performansını gözetlemek için çeşitli sensörlere,  Panelin ürettiği DC gücü kabul edecek, bataryayı şarj

edecek güç elektroniği ekipmanlarına,

 Kalan gücün yük tarafından kullanılabilmesine olanak tanıyan düzenlemelere ihtiyaç vardır.

 Yük AC ise, sistem DC gücü 50 veya 60Hz’de AC’ye çevirecek invertöre sahip olmalıdır.

(65)

FOTOVOLTAİK YÖNTEM İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Gücün tepe noktasında seyrettiği PV güç sisteminin ana elemanları

(66)

FOTOVOLTAİK YÖNTEM İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Tepe gücü takip kontrolleri paneldeki çıkış gerilimi ve akımını algılayıp, değişen iklim koşulları altında maksimum güç

çekilmesi için gerekli olan çalışma noktasını sürekli olarak

ayarlar. Panelin çıkışı DC’yi AC’ye çeviren invertöre gider. Yük gerekliliğinin aşılması durumunda panel çıkışı bataryayı şarj etmek için kullanılır. Batarya şarj edici genellikle Buck DC-DC çeviricidir. Bataryanın tamamen şarjından sonra hala fazla güç varsa, artık ısı olarak atılabileceği bir oda veya su ısıtıcı ile bağımsız sistemden gönderilir.

(67)

FOTOVOLTAİK YÖNTEM İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Güneş olmadığı durumda, batarya yükü beslemek için invertör üzerinden boşalır. Batarya boşaltım diyotu Db, bataryanın tamamen şarj edilmesinden sonra şarj edici açılırsa bataryayı şarj edilmekten korur. Paneli bataryadan izole eden Da diyotu, geceleri batarya çalışırken devrede panelin yük gibi davranmasından korur. Mod kontrolörü sistem sinyallerini toplar ve

bataryanın şarj durumunu takip ederek şarj/boşalma akım-saatlerini kaydeder. Bu bilgileri batarya şarj ediciyi, boşaltım çeviricisini ve artık yükleri ihtiyaç duyulduğunda açıp kapamak için kullanır. Mod kontrolörü bu yüzden tüm sitemin merkez kontrol mekanizmasıdır.

(68)

FOTOVOLTAİK YÖNTEM İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Şebekeye bağlı sistemlerde, artık ısıtıcılara gerek yoktur.

Çünkü fazla güç şebekeye basılır. Başlangıç kontrolörü veya bilgisayar gibi birkaç küçük kritik yük haricinde batarya

elenmiştir. DC önce invertör yardımı ile AC ye çevrilir, fakat dalgalanmalar filtrelenmeden şebekeye verilmemelidir.

• AC PV modül, kendinden invertörlü modülü ile piyasaya yenilik getirdi. Şimdilik birkaç yüz wattlık kapasitede. Bu gelişim, PV sistem dizaynını basitleştirdi.

(69)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

• Fotovoltaik güç sistemleri:

▫ Bağımsız fotovoltaik sistemler ▫ Hibrit fotovoltaik sistemler

▫ Şebeke bağlantılı fotovoltaik sistemler

(70)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

• Bağımsız fotovoltaik sistemler:

▫ Şebeke kullanımına erişimin olmadığı uzak alanlarda kullanılır.

(71)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

• Bağımsız fotovoltaik sistemler:  Batarya Şarjı

 Bağımsız PV sistemlerin, az ışıkta veya gece süresince enerji talebini karşılamak için depolamaya ihtiyacı vardır.

 Batarya tipleri: ▫ Kurşun asit ▫ Nikel kadmiyum ▫ Lityum ▫ Çinko bromit ▫ Çinko klorit ▫ Sodyum sülfür ▫ Nikel hidrojen ▫ Redoks ▫ Vanadyum 71

(72)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

• Bataryalar:

▫ Elektriğin depolanmasında en yaygın kullanılan batarya tipi kurşun-asit bataryalar.

▫ En önemli nedeni maliyeti.

▫ Özellikle otomotiv endüstrisinde kullanılıyorlar. ▫ NiCd ve NiMH bataryalar kurşun-asit e ek olarak

kullanılıyorlar. Biraz daha pahalı.

▫ Yüksek enerji yoğunluğu, hızlı şarj özelliği ve uzun ömürlü oluşu avantajları.

(73)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

• Bataryalar:

NiCd bataryaların kurşun-asit bataryalara göre avantajları:

▫ Yüksek devir sayısı ▫ Geniş sıcaklık aralığı

▫ Yüksek şarj ve deşarj akımları olasılığı  Dezavantajlar:

 Yüksek maliyet  Hafıza etkisi

(74)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

• Fotovoltaik sistemlerde kullanılan bataryaların seçiminde etkili faktörler:

▫ Boşalma derinliği (70-80%) ▫ Düşük dolma/boşalma akımı

▫ Uzun süreli şarj(yavaş) ve deşarj(Duty cycleuzun) ▫ Düzensiz ve değişken şarj/deşarj

▫ Düşük self deşarj ▫ Uzun ömür

▫ Az bakım gerekliliği

▫ Yüksek enerji depolama verimi ▫ Düşük maliyet

(75)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

• Bağımsız fotovoltaik sistemler: ▫ Fotovoltaik yük kontrolörleri

 Diyotları PV modüllerle seri olarak bloke etmek, bataryanın gece elektrik üretimi için güneş yokken PV piller üzerinden boşalmasından korumak için kullanılır.

 Ayrıca bloke diyotlar, bataryayı kısa devrelerden korurlar.

 Paralel bağlanmış birden fazla dizi içeren güneş sistemlerinde, dizilerden bir tanesinde kısa devre meydana gelirse, bloke diyotlar diğer dizilerin kısa devre olmuş dizi üzerinden boşalmasını engeller.

(76)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

▫ Fotovoltaik yük kontrolörleri, yük transferini düzenleyerek bataryayı aşırı şarj ve deşarj dan korur.

 Seri şarj regülatörleri  Şönt şarj regülatörleri  DC-DC çeviriciler

(77)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

 Seri şarj regülatörleri

(78)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

▫ Fotovoltaik yük kontrolörleri

 Seri şarj regülatörleri

 S1, PV jeneratörden ayırıldığında, önceden belirlenmiş bir batarya gerilimine sahip olunur.

 Gerilim, deşarj seviyesinin altına düştüğünde; yük, sınırların üzerindeki boşalım derinliğinden kaçınmak için bataryadan ayırılır.

 Bu tipteki kontrolörün ana problemi, anahtarlarda meydana gelen önemli seviyedeki güç kayıplarıdır.

 Anahtarlama için:

▫ Bipolar transistör, ▫ MOSFET,

▫ Röle kullanılabilir.

(79)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

 Şönt şarj regülatörleri

(80)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

▫ Fotovoltaik yük kontrolörleri

 Şönt şarj regülatörleri

 Batarya tam dolduğunda, PV jeneratörü S1 elektronik anahtarı kullanılarak kısa devre olması sağlanır.

 Seri kontrolörlerin aksine, bu metodta, kısa devre

anahtarına gerek duyulmadan bataryanın tam boşalması durumunda bile sistemin daha etkili çalıştığı görülmektedir.  Bloke diyot, bataryayı kısa devreden korur.

 Küçük çaplı fotovoltaik uygulamalar için kullanılır.

 Batarya gerilimi, önceden set edilmiş minimum boşalma derinliği seviyesinin altına düştüğünde, S2 anahtarı yükü ayırır. Derin boşalma koruması, bataryayı boşalım

derinliğine karşı korur.

(81)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

 DC-DC çevirici tipli şarj regülatörleri

 PV jeneratörün çıkış gerilimini, değişken yükle eşleştirmede kullanılırlar.

▫ Buck (Aşağı yönlü) Çevirici ▫ Boost (Yukarı yönlü) Çevirici

▫ Buck-Boost (Aşağı/Yukarı yönlü) Çevirici

(82)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

 Buck (Aşağı yönlü) Çevirici

(83)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

 Boost (Yukarı yönlü) Çevirici

(84)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

 Buck-Boost (Aşağı/Yukarı yönlü) Çevirici

(85)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

▫ Maksimum Güç Noktası İzleme(MPPT)

 Bir panelin maksimum güce ulaştığı noktayı izleyen kontrolöre MPPT(Maximum Power Point Tracker) denir.

 Güneş pillerinin yüksek maliyetine bağlı olarak, PV panelini kendi maksimum güç noktasında (MPP) çalıştırmak gereklidir.

(86)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

• Bağımsız fotovoltaik sistemler: ▫ Maksimum Güç Noktası İzleme(MPPT)  Güneş yayılımı (Insolation) seviyesi,  200W/m2 1000W/m2 86

(87)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

▫ Maksimum Güç Noktası İzleme(MPPT)

 Analog Kontrol

 Değişik çeşitlerde analog kontrol mekanizmaları mevcuttur.

▫ Bölünmüş kısa devre akımı, ISC

▫ Bölünmüş açık devre gerilimi, VOP

▫ Dalgalı ilinti kontrolü, RCC[Ripple Correlation Control]

 En basit yöntemlerden birisi bölünmüş açık devre gerilimidir. (VOP)

▫ VMPP nın VOP nin doğrusal bir fonksiyonu olduğu varsayımına

dayanır.(VMPP=kVOP, k~0.76)

▫ En yaygın metoddur.

▫ Pildeki kısa devre akımı ve sıcaklığın, geniş varyasyonlarında bile yüksek oranda doğru yaklaşım sağlar

(88)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

▫ Maksimum Güç Noktası İzleme(MPPT)  Dijital Kontrol

 Değişik çeşitlerde dijital kontrol mekanizmaları mevcuttur.

▫ Karıştırma ve Gözlem (Perturbation and Observation) ▫ Tepe tırmanışı (Hill Climbing)

▫ Bulanık Mantık (Fuzzy Logic) ▫ Nöral Network (Neural Network)

▫ İletkenlik artırımı (Incremental Conductance)

(89)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

• Bağımsız fotovoltaik sistemler için İnvertörler: ▫ Doğrultucular gücü AC’den DC’ye çevirirken,

invertörler DC’den AC’ye çevirirler.

▫ Çoğu invertör, ayrıca doğrultucu olarakta görev yapabilirler. (Bi-directional)

▫ Bağımsız fotovoltaik sistem kurulumlarında genellikle,

 AC, 230V, 50Hz veya 110V, 60Hz’dir.

 İnvertörler güç seviyelerine göre 12, 24, 48, 96, 120, 240 V DC’dirler.

(90)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

• Bağımsız fotovoltaik sistemler için İnvertörler:

 İdeal olarak, bağımsız fotovoltaik bir sistem için invertörler aşağıdaki özelliklere sahip olmalıdırlar:

▫ Sinüsoidal çıkış gerilimi

▫ İzin verilen limitler ölçüsünde gerilim ve frekans

▫ Giriş gerilimindeki büyük varyasyonları kaldırabilecek kablo, ▫ Çıkış gerilim regülasyonu,

▫ Zayıf yüklerde yüksek verim,

▫ Elektronik parçalarda meydana gelecek zarar, ekstra kayıplar ve ısınmadan kaçınmak için daha az harmonik üretme,

▫ Girişte yüksek akım çeken ekipmanlara karşı, kısa süreliğine aşırı yüklenmeye direnç gösterme,

▫ Aşırı/Düşük gerilim veya frekans, kısa devre için yeterli koruma düzenlemesi, ▫ Dalga kapasitesi,

▫ Rölanti veya yüksüz konumda çalışırken düşük kayıplar, ▫ Düşük batarya geriliminde ayırma

▫ Düşük ses ve radyo frekansı gürültüsü (Noise Margin)

(91)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

▫ MOSFET veya IGBT kullanılabilir. ▫ MOSFET:

 MOSFETler genellikle 5 kVA ve 96V DC’ye kadar kullanılırlar.

 Yüksek frekanslarda, düşük anahtarlama kayıplarına

sahip olmaları bir avantajdır. Çünkü, alışır durumdayken ki gerilim düşümü 2V DC civarındadır.

▫ IGBT:

 Genellikle 96V DC üzerindeki sistemlerde kullanılırlar.

(92)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

(93)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

(94)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

(95)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

• Hibrit fotovoltaik

sistemler:

▫ Dizel ve diğer fosil yakıt kullanan jeneratörlü uzak alandaki güç sistemlerine PV yenilenebilir enerji kaynakları eklenerek, 24 saat boyunca ekonomik ve etkili sistemler temin edilebilir. ▫ Bu tarz sistemlere “Hibrit sistemler” denir. 95

(96)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

• Hibrit fotovoltaik sistemler:

▫ Uzak alanlarda kullanılan yaygın güç sistemleri, genellikle sürekli veya birkaç saatliğine çalışan manuel kontrollü dizel jeneratörlere

dayanmaktadır.

▫ Dizel jeneratörlerin çalışma süreleri uzatıldığında, maliyet kayda değer seviyede artar ve sistem ömrü azalır.

(97)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

• Hibrit fotovoltaik sistemler: ▫ Seri Hibrit Enerji Sistemi

▫ Anahtarlanmış Hibrit Enerji Sistemi ▫ Paralel Hibrit Enerji Sistemi

(98)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

▫ Seri Hibrit Enerji Sistemi

(99)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

 Avantajlar

▫ Motor sürücülü jeneratör, batarya yük durumunun %70-80’a ulaşmasından önce yükü beslerken ve batarya bankını doldururken en iyi yüklenilebilecek boyuta getirilebilir.

▫ Değişik enerji kaynakları arasındaki AC gücün anahtarlama ihtiyacı yoktur. Bu da elektriksel çıkış arayüzünü

basitleştirir.

▫ Dizel jeneratör başlatıldığında, yükü besleyen güç kesilmez. ▫ İnvertör, uygulamaya bağlı olarak bir sinüs dalgası, kare

dalga veya düzenlenmiş bir kare dalga üretebilir.

(100)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

 Dezavantajlar

▫ İnvertörün motor sürücülü jeneratör ile paralel olarak çalışamamasından dolayı, invertör maksimum sistem yükünü besleyecek şekilde boyutlandırılmalıdır.

▫ Batarya bankı sık doldurulup boşaltıldığı için ömrü azdır. ▫ Boşalma derinliğini sınırlandırmak için büyük batarya bankı

gerekmektedir.

▫ Genel sistem verimi düşüktür, bu yüzden dizel jeneratör yüke doğrudan güç sağlayamaz. Ayrıca bu durumda,

invertörün arızası gerçekleşirse, sistem tümden güç kesintisine uğrar.

(101)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

▫ Anahtarlanmış Hibrit Enerji Sistemi

(102)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

▫ Anahtarlanmış Hibrit Enerji Sistemi  Avantajlar

▫ İnvertör, uygulamaya bağlı olarak bir sinüs dalgası, kare dalga veya düzenlenmiş bir kare dalga üretebilir.

▫ Dizel jeneratör yükü doğrudan besleyebilir, bu yüzden sistem verimi artar ve yakıt tüketimi azalır.

 Dezavantajlar

▫ AC güç kaynaklarının transferi sırasında, yüke aktarılan güç anlık olarak kesilir.

▫ Motor sürücülü jeneratör ve invertör dizaynı maksimum yüke göre yapıldığı için, kısmi yüklerde verim düşer.

(103)

FOTOVOLTAİK GÜÇ

SİSTEMLERİ İÇİN GÜÇ

ELEKTRONİĞİ

▫ Paralel Hibrit Enerji Sistemi

 (a)DC Dekuplaj  (b)AC Kuplaj

(104)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

▫ Paralel Hibrit Enerji Sistemi

 Avantajlar

▫ Sistem yükü en iyi yolla karşılanır.

▫ Dizel jeneratör verimi maksimize edilebilir. ▫ Dizel jeneratör bakımı minimize edilebilir.

▫ Dizel jeneratör, batarya bankı, invertör ve yenilenebilir

kaynakların nominal kapasitelerindeki azalma uygulanabilir olmakla birlikte, maksimum yükleri karşılayabilir.

 Dezavantajlar

▫ Sistemin güvenilir çalışması için otomatik kontrol gereklidir. ▫ İnvertör, ikinci bir AC kaynak ile senkronize olma yeteneğine

sahip ve doğru sinüs dalga invertörü olmalıdır.

▫ Sistemin çalışması, sisteme aşina olmayan bir kullanıcı için oldukça zordur.

(105)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

▫ Paralel Hibrit Enerji Sistemi’nin kontrolü

(106)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

▫ Paralel Hibrit Enerji Sistemi’nin kontrolü için çalışma modları:

 Mod I:

▫ Gece ve sabahın erken saatlerinde, ▫ Temel yük bataryadaki depolanmış

enerji ile besleniyor, ▫ Fotovoltaik güç yok,

▫ Dizel jeneratör başlatılmamış durumda.

 Mod II:

▫ Fotovoltaik güç orta yük talebini karşılamak için depolanmış enerjiden de destek alıyor.

 Mod III:

▫ Fotovoltaik jeneratörde fazla enerji var, bu enerji bataryada depolanıyor. ▫ Orta yük talebi fotovoltaik güç ile

sağlanıyor.

(107)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

▫ Paralel Hibrit Enerji Sistemi’nin kontrolü için çalışma modları:

 Mod IV:

▫ Yüksek akşam yükünü karşılamak için dizel jeneratör başlatılıyor ve nominal gücünde çalıştırılıyor.

▫ Dizel jeneratörde fazla enerji olması durumunda, batarya yeniden şarj ediliyor.

 Mod V:

▫ Dizel jeneratörün gücü, maksimum yük talebini karşılamada yetersiz kalıyor. ▫ AC invertör çıkış geriliminin jeneratörün

dalga formu ile senkronize edilmesi sonucunda, bataryalardan ek güç sağlanıyor.

 Mod VI:

▫ Dizel jeneratörün gücü yük talebini aşıyor, fakat bataryalar yüksek yük

durumu seviyesine yeniden şarj edilinceye kadar çalışır durumda tutuluyor.

(108)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

• Şebeke bağlantılı fotovoltaik sistemler: ▫ PV paneller, batarya depolaması olmaksızın invertörler ile şebekeye bağlanırlar. ▫ Şebeke bağlantılı invertörler, gerilim ve frekans anlamında şebekeye senkronize edilmelidir. 108

(109)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

• Şebeke bağlantılı fotovoltaik sistemler:

▫ Batarya destekli veya bataryasız olabilirler.

▫ Batarya depolamalı sistemler (Flywheel) ek bir güç kaynağı güvenilirliğini sisteme kazandırırlar.

▫ Şebeke bağlantılı fotovoltaik sistemler, tüketiciye

mevcut güneş enerjisi ile kendi yüklerini beslemenin yanı sıra, enerji fazlasını da şebekeye geri enjekte

edebilme olanağı tanırlar.(Çift yönlü güç akışı) ▫ Böylece, şebeke gece veya fotovoltaik enerjinin

yetersiz kaldığı durumlarda sistemimizi beslerken, sistemimizdeki fazla fotovoltaik gücü de emer.

(110)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

• Şebeke bağlantılı fotovoltaik sistemlerin kullanım alanları:

▫ Çatıüstü şebeke bağlantılı fotovoltaik sistem uygulaması:

 Küçük çaplı ev tipindeki fotovoltaik sistemler için yapılacak en iyi tercih çatı monteli fotovoltaik modüldür.

 Güneş pilleri elektrik üretimi için çevreci ve temiz bir yoldur. Çatıüstleri de her zaman yerleşim için en ideal alanlar

olmuşlardır.

 Evin elektriğini sağlamakla kalmaz, yazın aydınlatma, soğutma gibi yükleri de karşılayarak maksimum yük talebini azaltır.

 Bataryalı sistemler düşük güneş yayılımında, gece veya bulutlu günlerde sistemin güvenilirliğini artırırlar. Ancak, bakım

ihtiyacı ve yüksek maliyetler gibi problemleri de bulunmaktadır.

(111)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

• Şebeke bağlantılı fotovoltaik sistemlerin kullanım alanları:

▫ Geniş ölçekli sistem uygulaması:

 Almanya, Amerika, İspanya ve dünyanın diğer

değişik bölümlerinde bazı geniş ölçekli fotovoltaik santraller kurulmuş durumda.

 Fotovoltaik sistemler merkezi veya dağıtılmış sistemler olabilirler.

(112)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

• Şebeke bağlantılı uygulamalar için invertörler: ▫ Şebeke bağlantılı fotovoltaik sistemlerde güç

durumunu belirleyen ekipman (Power

Conditioner), PV modülü ve şebeke arasındaki en önemli bağlantıdır.

▫ Bir arayüz gibi davranarak güneş pillerinde

üretilen DC akımı, şebeke seviyesinde AC akıma çevirir.

▫ Fotovoltaik sistem davranışı ağırlıkla güç durumu ünitesine bağlıdır.

(113)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

• Şebeke bağlantılı uygulamalar için invertörler:

▫ İnvertörler;

 İyi kaliteli sinüs çıkış dalgası üretmelidirler.

 Şebeke gerilimi ve frekansını takip etmelidirler.

 MPPT yardımı ile güneş pillerinden maksimum enerjiyi aktarmalıdırlar.

 I-V karakteristiğindeki MPP bulununcaya kadar invertörün giriş kademesi, giriş gerilimini

değiştirmelidir.

 İnvertör, şebekenin tüm fazlarını gözlemlemelidir.

 İnvertör çıkışı, değişken gerilim ve frekansa bağlı olarak kontrol edilebilmelidir.

 Tipik şebeke bağlantılı invertör, PWM şema kullanmalı ve 2-20kHz aralığında çalışmalıdır.

(114)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

• İnvertörlerin sınıflandırılması:  Şebeke arayüzlerine göre:

 Gerilim kaynaklı invertörler (VSI)  Akım kaynaklı invertörler (CSI)

 Kontrol şekillerine göre:

 Akım kontrollü (CC)  Gerilim kontrollü (VC)

(115)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

• VCVSI

(116)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

• CCVSI

(117)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

• İnvertör çeşitleri:

▫ Line-commutated invertör ▫ Self-commutated invertör

▫ Yüksek frekans trafolu invertör

(118)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

▫ Line-commutated invertör

 Elektrik motoru uygulamlarında kullanılır. Tristörlü yapıdadır. Güneş uygulamaları için kontrol

algoritmasında MPPT gereklidir.

(119)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

▫ Self-commutated invertör

 Fotovoltaik sistemlerin şebeke bağlantıları için

kullanılır. Uygulamalara göre, BJT, MOSFET, GTO veya IGBT kullanımı değişkenlik gösterir.

(120)

▫ Yüksek frekans trafolu invertör

 PWM anahtarlama şemalı standart bir fotovoltaik invertör için 50 Hz lik trafo çok ağır ve maliyetli olabilir.

 20 kHz den yüksek frekanslarda, ferrit nüveli trafo daha iyi bir opsiyon olabilir.

(121)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

• Diğer fotovoltaik invertör topolojileri:

▫ Çok seviyeli çeviriciler (Multilevel converters)  Yüksek sayıdaki PV panellerin gerilim adımları

yaratmak için ayarlandığı geniş ölçekli PV sistemlerde kullanılır.

(122)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

• Diğer fotovoltaik invertör topolojileri: ▫ Yalıtılmamış Gerilim Kaynağı

(123)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

• Diğer fotovoltaik invertör topolojileri: ▫ Yalıtılmamış Akım Kaynağı

(124)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

• Diğer fotovoltaik invertör topolojileri:

▫ Yarım Dalga Trafo Bağlantılı Buck Çevirici

(125)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

• Diğer fotovoltaik invertör topolojileri: ▫ Flyback Çevirici

 Bu çevirici topolojisi PV gerilimi, DC bara gerilimine yükseltir.

(126)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

• Diğer fotovoltaik invertör topolojileri: ▫ Paralel PV Paneller kullanılan arayüz

(127)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

• Sistem Konfigürasyonları

▫ Genellikle, bataryasız şebeke bağlantılı PV sistem konfigürasyonları 4 çeşittir:

 Merkezi santral invertör

 Çok diziye sahip DC-DC çeviricili tek çıkışlı invertör  Çok dizili invertör

 Modüle entegre invertör

(128)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

• Sistem Konfigürasyonları ▫ Merkezi santral invertör

(129)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

• Sistem Konfigürasyonları

▫ Çok diziye sahip DC-DC çeviricili tek çıkışlı invertör

(130)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

• Sistem Konfigürasyonları ▫ Çok dizili invertör

(131)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

• Sistem Konfigürasyonları ▫ Modüle entegre invertör

(132)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

• Şebeke bağlantılı invertörlerin özellikleri:

▫ Yanıt süresi

 Kontrol sisteminin band genişliği tarafından kontrol edilmeli ve yüksek hızda olmalıdır.

 Dönen kütlenin olmayışı ve yarıiletken anahtarlama elemanlarının kullanımı, invertörlerin milisaniye derecesinde yanıt vermesini sağlar.

▫ Güç faktörü

 Geçmişte düşüktü, fakat gelişen teknolojilerle birim güç faktörüne yaklaşmaktadır.

▫ Frekans kontrolü

 Şebeke ile aynı olmalıdır. ▫ Harmonik çıkışı

 Geçmişte düşüktü, fakat günümüzde 6 ve 12 pulse invertörler fazla harmonik üretip güç kalitesini düşürmektedir. Fakat PWM ile

bunlar azaltılabiliyor.

(133)

FOTOVOLTAİK GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN

GÜÇ ELEKTRONİĞİ

• Şebeke bağlantılı invertörlerin özellikleri:

▫ Senkronizasyon

 Şebeke ile senkron çalışmalıdır.

▫ Hata akımı katkısı

 İnvertörler kendilerini yüksek akımlara karşı korumalıdır.

▫ DC akım enjekte edilmesi

 İnvertör düzgün çalışmadığında ve bozulduğunda şebekeye DC komponentleri enjekte edebilir. (Trafo kullanımı ile

engellenebilir.)

▫ Koruma

 Koruma gerektiren durumlar:

 Aşırı gerilim,  Düşük gerilim,  Aşırı frekans,  Düşük frekans.

(134)

FOTOVOLTAİK YÖNTEM İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

▫ Mikron boyutlardaki silikon kürelere dayalı silikon modüllerin tam ölçekli üretimi son

zamanlarda duyuruldu. Bu işlemde, milimetre altı boyutlardaki silikon küreler iki ince Alüminyum sac arasına bağlanıyor, güneş pilleri içinde

işleniyor ve esnek, hafif modüllerde paketleniyor. ▫ İnce katlı teknolojiler plaka tabanlı kristalize

silikonlara göre daha az malzeme kullanımı, daha az işleme adımı ve geniş alan modülleri için daha kolay üretim ile avantaj sağlıyor. Maliyeti düşük.

(135)

FOTOVOLTAİK YÖNTEM İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

▫ Boyaya duyarlı piller:

 Çok etkileyici. Yapılandırıcı malzeme maliyetleri çok düşük. Üretim işlemi çok kolay. Düzensizliklere tölereli. Laboratuar ortamında %11lik bir verim sağlandı.

▫ Organik ve Nanoteknolojik güneş pilleri:

 Organik güneş pilleri ince katlı pillerden 10 kat daha ince. 4 konuda düşük maliyet sağlıyor: -Düşük maliyetli yapılandırıcı elementler –İndirgenmiş malzeme kullanımı –Yüksek çevirim verimi –Yüksek hacimli üretim teknikleri

 Fotovoltaikler için nanoteknolojik kullanım gelecek vaad eden bir metod, çünkü partikül boyutları ve şekilleri kontrol edilerek malzemenin optik ve elektronik özellikleri ayarlanabiliyor.

Kimyasal çözümlerle nanopartiküller üretildiğinde, üretim kolaylaşacak.

(136)

FOTOVOLTAİK YÖNTEM İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Gelecek Beklentileri: ▫ 2020’ye kadar:

 Şu anda çoklu kristalize silikon PV teknolojileri iyi geliştirilmiş ve ticari olarak uygun durumda. İnce katlı pillerin verimlerindeki gelişim önemli. (Silikon tabanlı pillerden az maliyetli fakat az verimli olsa da)  Bunlara ek olarak, PV arayüz cihazları PV

invertörleri de içine alacak şekilde geliştirilmeli. (Ayırıcı, sayaç, iletişim arayüzleri)

(137)

FOTOVOLTAİK YÖNTEM İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Gelecek Beklentileri: ▫ 2020-2035 arası:

 Mevcut PV teknolojilerinin üretimindeki yeni

gelişmelere bağlı olarak maliyet azaltılmasına ihtiyaç duyulacak.

 Düşük maliyetle yüksek verim elde edilebilecek yeni pil yapıları araştırılmalı.

 Organik güneş pilleri, boyaya duyarlı güneş pilleri, nanoteknolojik tabanlı güneş pilleri ve diğer

fotovoltaik teknolojilerdeki maliyetlerin azaltılması olasılığı araştırılmalı.

(138)

FOTOVOLTAİK YÖNTEM İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Gelecek Beklentileri: ▫ 2035’ten sonra:

 Kabul edilebilen verim oranlı PV teknolojilerin süper ucuz üretimleri hedefleniyor.

 Yeni jenerasyon PV piller ışıktan elektriğe çevirim verimini maksimize edecek bütünsel güneş tayfı

kullanımını optimum seviyede tutacak yapılara sahip olacak.

(139)

RÜZGAR ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Rüzgar enerjisi güneş enerjisine dolaylı olarak bağlıdır.

• Rüzgarların kaynağı, güneşin dünya üzerinde neden olduğu sıcaklık farklarıdır.

• 3000 yıl önce rüzgar sulama sistemlerinde kullanılıyordu.

• 7.yy’da Afganistan’da tahıl öğütme için kullanılıyordu.

• 17.yy’da onbinlerce rüzgar değirmeni arazi direnajında kullanıldı.

• 19.yy’da Kuzey Afrika’da rüzgar değirmenleri su pompalama sistemleri için kullanıldı.

(140)

RÜZGAR ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• 20.yy’ın başlarında buhar güçlü makinalar ve içten yanmalı motorlar rüzgar güç sistemleri ile rekabet etmeye başladı.

• Sonuç olarak elektrikli hayata geçilmesi rüzgarı gereksiz kıldı.

• Rüzgar gücünün yeniden dirilişi 1970’deki petrol krizi ile gerçekleşti.

• Geçmişteki mekanik rüzgar güç sistemlerinin tersine, günümüzdeki modern rüzgar çeviriciler özel olarak elektrik üretiyor.

(141)

RÜZGAR ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• 1990’lardaki teknolojik gelişmeler ile Almanya rüzgar alanında en gelişmiş ülke oldu.

• Son teknoloji rüzgar jeneratörleri ileri seviyede teknik standartlara ulaştı ve şu anda 4MW’ın üzerinde güç üretebiliyor.

• Almanya, Danimarka ve İspanya gibi ülkelerde çıkan yasalar, rüzgar gücünün patlama yapmasında

önemli rol oynadı.

• Almanya elektrik ihtiyacının 1/3’ünü, Birleşik

Krallık ise teorik olarak tüm elektrik ihtiyacından daha fazlasını rüzgar gücü ile karşılayabilecek

düzeyde.

(142)

RÜZGAR ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Rüzgar Hızı ve Enerji:

• Güneş atmosferdeki hava kütlesini ısıtır. Dünyanın küresel şekli, kendi ekseni etrafındaki dönüşü, ışık yayılmalarındaki mevsimsel ve bölgesel

dalgalanmalar hava basıncında farklılıklara neden olur. Rüzgarı oluşturan hava hareketlerinin kaynağı bu farklılıklardır.

• Teknik anlamda, rüzgar türbini rüzgarın kinetik

enerjisini mekanik olarak elektrik jeneratörüne bağlı iki veya daha fazla kanattan oluşan rotorun

içerisinde hapseder. Enerjinin elde edilmesini

sağlamak için türbin uzun bir kule üzerine monte edilmelidir.

(143)

RÜZGAR ENERJİSİ İLE

ELEKTRİK ÜRETİMİ

• İki çeşit türbin dizaynı vardır:

▫ Yatay eksen dizaynı:

 Danimarka standardıdır.  Danimarka türbini

olarakta isimlendirilir.  Çoğu modern rüzgar

türbini yatay eksenlidir.

(144)

RÜZGAR ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

▫ Dikey eksen dizaynı:  Yumurta çırpacağı

şeklindedir.

 Muciti dolayısı ile Darrieus rotoru olarak adlandırılır.  Geçmişte özel yapısal

avantajı yüzünden kullanılmıştır.

(145)

RÜZGAR ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

(146)

RÜZGAR ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Göbek yüksekliğinin etkisi

• ,h1 referans yükseliğindeki rüzgar hızı • ,h2 yüksekliğindeki tahmini hız

• ,zemin yüzeyindeki sürtünme katsayısı

(147)

RÜZGAR ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Değişik arazilerdeki α sürtünme katsayısı:

Arazi Tipi α

Göl, okyanus ve düzgün, sert yüzey 0,1

Zeminden 30,4cm yükseklikte çim 0,15

Uzun ekin, çit, çalı 0,20

Ormanlık alan 0,25

Çalı ve ağaçlı küçük şehir 0,30

Yüksek katlı şehir alanı 0,40

(148)

RÜZGAR ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

(149)

RÜZGAR ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Rüzgar Gücü Sistemleri ▫ Sistem Elemanları

 Kule

 2 veya 3 kanatlı rotor  Mekanik çarklı şaft  Elektrik jeneratörü  Sapma mekanizması  Sensörler ve kontrol

(150)

RÜZGAR ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Ayrıca ek olarak şunlarda olmalıdır:

▫ Anemometreler, Rüzgar hızı ölçümü ve verilerin kontrolöre iletimi

▫ Çeşitli mekanik ve elektriksel parametreleri ayarlamak ve izlemek için gerekli olan sensörler (1MW lık

türbinde birkaç yüz sensör vardır)

▫ Motor kontrolörü, 8-15 mph de başlatacak/ 50-70 mph de kapatacak ▫ Güç elektroniği ekipmanları ▫ Kontrol elektroniği ▫ Batarya ▫ İletim hattı 150

(151)

RÜZGAR ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Kule:

• Geçmişte kuleler 20-50m arasındaydı. Orta ve geniş çaplı türbinlerde , kule yukseklikliği

yaklaşık olarak rotor çapına eşittir.

• Küçük türbinlerde ise rotor çapının birkaç katı büyüklüğündedir.

• Çelik ve beton kuleler kullanımda

• Ağaç ve binaların yaratacağı türbülanstan korunmak için kuleler minimum 25-30m yükseklikte olmalıdır.

(152)

RÜZGAR ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

(153)

RÜZGAR ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

Danimarka

(154)

RÜZGAR

ENERJİSİ İLE

ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• 600KW lık rüzgar türbini • Kule boyutları ile özellikleri şekilde verilmiş. 154

(155)

RÜZGAR ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

(156)

RÜZGAR ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Türbin:

• Birkaç kW’lık bağımsız uzaktan uygulamalardan birkaç MW’lık şebeke ölçekli güç üretimine

kadar değişik boyutlarda türbin üretimi yapılmaktadır.

• 2002’de Dünya genelindeki kurulu türbinlerin ortalama boyutu 1MW’ın üzerindeydi.

• 2003 sonunda sadece GE Wind Energy kendi başına 1200 tane 1,5MW’lık türbin kurdu.

(157)

RÜZGAR ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Bugünlerde, açık denizdeki geniş rüzgar santrallerine 5MW’lık cihazlar yerleştiriliyor.

• 5MW’lık türbinin kütlesi kullanılan teknolojilere göre 150-300 tonluk nasel ile 70-100 tonluk rotor kanatlarını içerir.

• 2004’te Dünyanın en çok rüzgar türbini temin eden firmaları:

▫ Vestas (Danimarka) %22

▫ GE Wind (Amerika) %18

▫ Enercon (Almanya) %15

▫ Gamesha (İspanya) %12

▫ NEG Micon (Danimarka) %10

(NEG Micon’da Vestas’a ait, fakat ayrı isimlerle devam ediyorlar)

(158)

RÜZGAR ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Kanatlar:

• Modern rüzgar türbinleri aerodinamik prensiplere göre özenle hesaplanmış 2 veya 3 kanata sahiptirler.

• Türbin kanatları yüksek yoğunluklu tahta, cam fiber ve plastik bileşenlerden yapılmışlardır.

(159)

RÜZGAR ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Türbin Gücü:

• Rüzgar türbinlerinin nominal güçleri küresel bir standarda sahip değil.

• Üretici firmalar genellikle maksimum güç kapasitesi/rüzgar türbini çapı şeklinde ifade eder. Ör: 300/30-kW/m

(160)

RÜZGAR ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• 300/30’luk rüzgar türbininin SRC’si: ▫ 300/(Πx15x15)=0,42 kW/m2

• Geniş ölçekli cihazlar için: ▫ 0,2 kW/m210m rotor çapı ▫ 0,5 kW/m240m rotor çapı

▫ SRC’si 0,7kW/m2 ve 1kW/m2’ye kadar olanlar mevcut.

(161)

RÜZGAR ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Güç vs Hız

(162)

RÜZGAR ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Çevresel Hız Oranı(TSR):

(163)

RÜZGAR ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Maksimum güç ile çalışma: ▫ 1. Sabit TSR Şeması

(164)

RÜZGAR ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

▫ 2. Maksimum Gücü Takip Şeması

(165)

RÜZGAR ENERJİSİ İLE ELEKTRİK

ÜRETİMİ

• Sistem Dizaynı:

▫ Türbin Kuleleri ve Yerleşim:

 Geniş türbinler daha az alan işgal ederek MW kapasitesi başına daha az maliyete neden olurlar.

 Daha geniş cihazlar, maliyeti biraz daha düşürürler. Fakat herhangi birinin arızasında çıkıştaki etki daha fazla olacaktır.

 Kuleler faydalı, ancak yükseklikleri yerel

regülasyonlara uyumlu olmalı ve çevresinde bir problem oluşturmamalıdır.

 Ayrıca nasel ağırlığı ve yapısal dinamikler de önemli başlıklar.