1 Fotovoltaik-Rüzgâr Hibrid Güç Sistemi Uygulamas ıMehmet Azmi Aktacir, Bülent Yeşilata ve Yusuf I şıker Harran Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Osmanbey Kampüsü, Şanlıurfa [email protected],[email protected], [email protected]Özet Günümüzde yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı artırmak için yapılan en önemli uygulamalardan biri de enerji kaynaklarının birlikte kullanıldı ğ ı hibridsistemlerdir. Hibrid uygulamalarda en fazla tercih edilen enerji kaynakları rüzgâr ve güne ş enerjisidir. Her ikisi de yenilenebilir bir enerji kayna ğ ı olmasına kar şın, etkin çalı şma saatleri genellikle farklı olan rüzgâr ve güne ş enerjilerinin birlikte kullanılmasıfikri h ı zla yay ılmaktadır. Bu dü şünceden hareketle; Harran Üniversitesi Osmanbey Yerle şkesi’nde saha aydınlatması amacı yla prototip bir rüzgar-güne ş hibrid sistemi kurulmu ştur. Bu çalı şmada, söz konusu hibrid sistem bile şenleri tanıtılmakta ve sistem tasarımı ile performansını etkileyen parametreler tartı şılmaktadır. Hibrid sistemin, özellikle aydınlatma gibi sabit güç tüketen uygulamalar için, gerekli elektrik enerjisini kesintisiz ve güvenilir bir şekilde sa ğ layabildi ğ i gözlemlenmi ştir. Anahtar Kelimeler: Yenilenebilir Enerji, Rüzgar Jeneratörü, Fotovoltaik Panel, Hibrid sistem. A Photovoltaic-Wind Hybrid System Application Abstract Hybrid systems are one of the most important application examples to increase utilization of renewable energy sources. Wind and solar energy combination as hybrid system application is widely preferred since their effective operation times are complementarily different. A prototype wind-solar hybrid system is consequently installedat 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 pertime, such as lighting application. Keywords: Renewable Energy, Wind Generator, Photovoltaic Panel, Hibrid Power system
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
8/3/2019 Fotovoltaik-Rüzgar Hibrid Güç Sistemi Uygulaması
Hybrid systems are one of the most important application examples to
increase utilization of renewable energy sources. Wind and solar energy combination ashybrid system application is widely preferred since their effective operation times are
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
gereken teknolojik hedefler arasında, rüzgâr, güneş ve jeotermal gibi yenilenebilir enerjikaynaklar ına 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
kaynaklar ına göre 2001–2005 yıllar ındaki dağılımlar ı verilmiştir. 2005 yılı verilerine göre
elektrik üretiminin %75’i fosil kaynaklı yak ıtlardan, %24’ü hidrolik güçten geri kalan
%1’lik k ısım rüzgar başta olmak üzere jeotermal ve biokütleden elde edilmiştir [4].
8/3/2019 Fotovoltaik-Rüzgar Hibrid Güç Sistemi Uygulaması
Toplam Üretim 122 724.7 129 399.5 140 580.5 150 698.3 161 956.2
*Jeotermal, sıvı kükürt, ağaç kabuğu vb.
Önemli miktarda yenilenebilir enerji kaynaklar ına sahip olan Türkiye'nin
yenilenebilir enerji üretiminde en büyük payı, hidroelektrik ve biokütle almaktadır. Rüzgâr
ve güneş enerjisinin paylar ı henüz çok küçük seviyede olmasına kar şın, zamanla bu
paylar ın artması beklenmektedir. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı 2006 yılı verilerine
göre, ülkemizde yenilenebilir enerji kaynaklar ından elde edilen toplam enerji miktar ının
5.38 milyon ton eşdeğer petrol (TEP) olduğu belirtilmektedir. Bu miktar ın, 3.89 milyon
TEP'i hidroelektrik-jeotermal kaynaklar ından, 2 bin TEP'i bioyak ıttan, 11 bin TEP'i
rüzgardan, 1.81 milyon TEP'i ısıl olarak jeotermal kaynaklardan, 403 bin TEP'i de ısıl
olarak güneşten olmuştur [5].Ülkemiz rüzgâr ve güneş enerjisi potansiyeli yönünden oldukça iyi bir durumda
olmasına rağmen, bu potansiyel yeterince değerlendirilmemektedir. Ancak, 2005 yılında
“Yenilenebilir Enerji Kaynaklar ının Elektrik Enerjisi Üretimi Amaçlı Kullanımına İlişkin
Kanun”un [6] yasalaştır ılması ile özel sektör yatır ımlar ı enerji alanına doğru
yönlendirilmiştir. Bu kapsamda özel sektör taraf ından kurulan rüzgâr santrallerinin sayılar ı
giderek artmaktadır (Tablo 2) [7]. Tablo 2’den görüleceği gibi, Türkiye’de işletmeye
alınan rüzgar santrallerinin toplam kapasitesi 146.25 MW, inşaa halinde olanlar ın 276.90MW 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 s ırasıyla
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
8/3/2019 Fotovoltaik-Rüzgar Hibrid Güç Sistemi Uygulaması
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) taraf ından desteklenen proje
kapsamı içerisindedir.
2. RÜZGÂR-GÜNEŞ ENERJİSİ
Rüzgâr enerjisinden elektrik enerjisi üretiminde rüzgâr jeneratörleri
kullanılmaktadır. Rüzgâr jeneratörü kanadı ile aldığı enerjiyi, jeneratörde doğrudan
alternatif ak ım (AC) olarak elektrik enerjisine dönüştürür. AC olarak üretilen enerji doğru
ak ıma (DC) kontrol cihazında düzenlenerek dönüştürülür. Elde edilen enerji bataryada
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
jeneratörü ile elde edilebilecek enerji miktar ı ( E ),
2QV2
1E =
(1)
eşitliği ile hesaplanır. Eşitlikte Q ve V sırasıyla rüzgar ın debisini ve hızını göstermektedir.
Rüzgar debisi ise; ρ havanın yoğunluğunu ve A ise hız doğrultusuna dik yüzeyi göstermek
kaydıyla, süreklilik denklemi kullanılarak,
AVQ ρ= (2)
eşitliği ile bulunur. Eşitlik (1) yeniden düzenlendiğinde, rüzgar enerjisi ile rüzgar hızının
küpü arasındaki
3AV2
1E ρ=
(3)
bağıntısına ulaşılır. Bu bağıntıya göre; sistem tasar ımında en önemli parametre rüzgar hızı
olduğundan, rüzgâr enerjisi üretiminde yer seçimi, iklim ve jeolojik yapı oldukça
önemlidir.
Güneş enerjisinden doğrudan elektrik enerjisi üretmek için fotovoltaik (PV) olarak
adlandır ılan güneş panelleri kullanılmaktadır. Yar ı iletken levhalardan oluşan
fotovoltaikler, güneş ışığındaki elektromanyetik dalgalar , elektronlar ı yar ı iletken plakanın
bir katmanından bir diğer katmanına hareket ettirerek elektrik ak ımı 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, yar ıiletken özellik gösteren silisyum,
Şekil 1. Rüzgâr-güneş hibrid güç sistemi yerleşim planı
3.1. Sistem Bileşenleri
Bu sistemin ak ış şeması şekil 2’de verilmiştir. Şekilden görüleceği gibi, 1 ve 2
noktalar ında, yenilenebilir enerji kaynaklar ından rüzgâr ve güneş enerjisinden
faydalanmak için rüzgâr jeneratörü ve fotovoltaik güneş pilleri kullanılmaktadır.
Kontrol Si stemi
PV Panel InvertörBatarya Grubu
Karanlik Sensörü
Rüzgar Jeneratörü
AC Yük
2 4
5
1
3
6
7
-+-+
+
-
Şekil 2. Rüzgâr-güneş hibrid güç sistemi ak ış şeması
Rüzgâr jeneratöründe alternatif ak ım ve PV panellerde doğru ak ım olarak elde
edilen elektrik enerjisi, 3 noktasındaki hibrid kontrol cihazına aktar ılır. Burada düzenlenen
elektrik enerjisi, DC olarak 4 noktasında bulunan batarya grubunun şarjında kullanılır.Bataryalarda DC olarak depolanan enerji, aydınlatmaya ihtiyaç duyulduğu zamanlarda 5
Rüzgar Türbini
Fotovoltaik Panel
8/3/2019 Fotovoltaik-Rüzgar Hibrid Güç Sistemi Uygulaması
Frekansı: 10 kHz, Çık ış Frekansı: 50 kHz, Çık ış gücü: 50VA–100 kVA ve aşır ı ak ım,
yüksek ısı, yüksek ve düşük gerilime kar şı 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 kelimelerinink ısaltılmış olan ve “Işık Yayan Diyot” anlamına gelen LED’li projektörlerdir. LED’ler
8/3/2019 Fotovoltaik-Rüzgar Hibrid Güç Sistemi Uygulaması
Bu çalışma; GAP bölgesi açısından büyük önem arz eden ‘Temiz Enerji
Kaynaklar ının Verimli Kullanımına Yönelik Yeni Teknoloji ve Uygulamalar ı’
kapsamında, PV-rüzgar hibrid sisteminin, bölgede etkin olarak kullanılabileceği konusunda
ilk deneysel uygulama çalışması olması açısından önemlidir.
KAYNAKLAR
1. K ılıç N., Avrupa Birliği Sürecinde Enerji Sektörünün Konumu ve Enerji Yol Haritalar ı,
ARGE Bülteni, Eylül 2006, İzmir Ticaret Odası, İzmir.
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. 4. TÜİK, Türkiye İstatistik Kurumu, 2006 Türkiye İstatistik Yıllığı, 2007, Ankara.
5. ETKB, Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı 2006 Enerji Verileri.
6. Yenilenebilir Enerji Kaynaklar ının Elektrik Enerjisi Üretimi Amaçlı Kullanımına İlişkin
Kanun, Kanun No 5346, Kabul Tarihi: 10.5.2005, Resmi Gazete Sayı:25819, Ankara.
7. EPDK, Enerji Piyasası Düzenleme Kurulu, http://www.epdk.org.tr/lisans/elektrik/yek
/ruzgar projelerinin gelisimi.xls, 2008.
8.
WWEA, World Wind Energy Association İstatistical, 29 January 2007,www.wwindea.org.
9. Rajendra P.A. ve Natarajan E., Optimization of integrated photovoltaic–wind power
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
Hybrid Power System, 28th IEEE PV Specialist Conference, Anchorage, 2000.
11. Turcotte D., Ross M., ve Sheriff F., Photovoltaic Hybrid System Sizing and Simulation
Tools: Status And Needs, PV Horizon: Workshop on PV Systems, Montreal,
September 10, 2001.
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).
Bu çalışma, DPT taraf ından ‘Harran Üniversitesi Yeni Kampüsünün İleri Güneş Enerjisi
Teknolojileri İle Entegrasyonu ve GAP Bölgesinde Uygulanabilir Teknolojilerin
Araştır ılması’ başlıklı proje kapsamında gerçekleştirilmiştir. Ayr ıca, hibrid sisteme yönelik teknik yardımlar ından dolayı, Harran Üniversitesi Makina Fabrikası’nın ilgili çalışanlar ına
ve İ brahim Ocak’a teşekkür ederiz.
YAZARLARIN KISA ÖZGEÇMİŞLER İ
Yrd. Doç. Dr. Mehmet Azmi Aktacir
1993 yı
lı
nda Fı
rat Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümündenmezun oldu. Aynı yıl içersinde, Harran Üniversitesi Mühendislik Fakültesi MakinaMühendisliği Bölümünde Araştırma Görevlisi olarak göreve başladı. 1995'te HarranÜniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makina Mühendisliği ABD'nda Yüksek Lisansını,2005 yılında Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Termodinamik ABD'ndaDoktora öğrenimini tamamladı. 2007 yılında Harran Üniversitesi Mühendislik FakültesiMakina Mühendisliği Bölümü Termodinamik ABD'nda, Yrd. Doç. Dr. olarak göreve
başladı, halen aynı görevde devam etmektedir. Tesisat mühendisliği ve yenilenebilir enerjikaynaklar ı konusunda çalışmalar ını sürdürmektedir. Evli ve bir erkek çocuğu vardır.
Doç. Dr. Bülent Yeşilata
Doktor ünvanını Ocak/1999’da (Lehigh Üniversitesi/ ABD), Doçent ünvanını iseMart/2004’de almıştır. Ağustos/2002-Ocak/2003 tarihleri arasında Massachusetts Instituteof Technology (MIT)’de ziyaretçi araştırmacı olarak çalışmıştır. Polimerik malzemeteknolojisi, polimerik ak ışlarda karasızlıklar ve viskoz ısınma etkisi, uçak türbinimalzemelerinde oksidasyon modellemesi, mikro-ak ışkan sistemler ve fotovoltaik pillerleenerji üretiminde optimizasyon konular ında çalışmalar ı bulunmaktadır.
Araş. Gör. Yusuf Işıker
2003 yılında Harran Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği
Bölümünden mezun oldu. 2007 yılında Harran Üniversitesi Fen Bilimleri EnstitüsüMakina Mühendisliği ABD'nda Yüksek Lisansını tamamladı. Harran ÜniversitesiMühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümünde Araştırma Görevlisi olarak görevyapmaktadır. Polimerik malzeme teknolojisi ve fotovoltaik pillerle enerji üretimindeoptimizasyon konular ında çalışmaktadır.