Enerji, Şalt, Enerji Kalitesi, Pano, Trafo, Kablo, Motor, Kesintisiz Güç Kaynağı, Topraklama, Aydınlatma, Test-Ölçüm, Elektrik Proje-Taahhüt, Elektronik, dergi

İki Eksenli Güneş Takip Platformlarında Eğik Eksenli Tasarım Uygulaması Ve Eksen Motorların Enerji Tüketiminin İncelenmesi

İlkay KUNDUZ (Elektrik Mühendisliği Bölümü, Kocaeli), Nuran YÖRÜKEKEN (Elektrik Mühendisliği Bölümü, Kocaeli)

ÖZET
Yenilenebilir enerji kaynağı olarak fotovoltaik (FV) panellerin kullanımı giderek artmaktadır. Daha önce yapılan bir çok akademik çalışmada, FV sistemlerinin sabit montaj durumu ile hareketli platform üzerindeki uygulamaları karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Uygulamaların yapıldığı coğrafik koşullara bağlı olarak sayısal değer değişmekle beraber hareketli FV sistemlerinin verimlerinin daha yüksek çıktığı doğrulanmıştır. Bu çalışmada ise hareketli platformların FV panel enerji üretimini arttırırken beraberinde getirdiği enerji tüketimini minimum düzeye indirgeyecek, eğik kutupsal eksenli bir tasarım geliştirilmiştir. Programlanabilir mantık kontrolör (PLC) kullanılan sistem, güneş takibini sensörsüz olarak matematiksel hesaplama ile yapmaktadır. Şebeke bağlantılı tasarlanan sistemde mikroevirici kullanılarak üretilen alternatif akım, gerilim ve enerji değerleri elektronik sayaç ile takip edilmektedir. Prototipi yapılan sistemin, iki eksen, tek eksen ve sabit olarak çalıştırılırken platform üzerindeki 260Wp gücündeki polikristal FV panelinden elde edilen veriler ve gözlemler bu çalışmada sunulmaktadır.

Anahtar Kelimeler: Eğik eksenli takip platformu, Gerçek zaman tabanlı takip, PLC kontrolü, Sensörsüz takip, Mikroevirici, Şebeke bağlantılı FV sistem.

GİRİŞ
Türkiye coğrafi konumu nedeniyle büyük bir güneş enerjisi potansiyeline sahiptir. Güneş Enerjisi Potansiyeli Atlası’na (GEPA) göre, yıllık toplam güneşlenme süresi 2737 saattir. Ortalama toplam gelen güneş enerjisi miktarı ise 1527 kWh/m²yıl, bu da günlük olarak toplam 4.2 kWh/m² değerinde bir enerji demektir [1].

Bu enerjiden yaralanma yollarından biri de FV paneller kullanarak onu elektriğe çevirmektir. Güneş enerjisi, %5 ile %20 arasında bir verimle elektrik enerjisine çevrilebilir. Güneş enerjisinin verimini fotovoltaik hücrenin yapısı belirler. Birçok sayıda fotovoltaik hücre, birbirine paralel ya da seri bağlanarak bir yüzey üzerine monte edilir. Bu sayede, bir kaç Watt’tan, mega Watt değerlerine kadar güç değerlerine ulaşılır [1].

Güneşten gelen enerjiyi elektriğe maksimum düzeyde çevirmek için FV sistemlerde panel hücre yapısı dışında müdahale edilen diğer bir nokta panel yüzeyine güneş ışınlarının sürekli dik gelmesini sağlayan güneş takip platformlarını kullanmaktır. Takip platformları birçok kategoriye göre sınıflandırılabilir. Kontrol stratejisine göre açık döngü veya kapalı döngü olabilir. Tahrik sistemine göre aktif veya pasif olabilir. Serbestlik derecesine göre tek eksen veya çift eksenli olabilir. Takip stratejisine göre tarih-zaman tabanlı veya sensör tabanlı olabilir[2].

Geliştirilen tasarım tarih-zaman tabanlı olup güneş takibi için herhangi bir sensöre ihtiyaç duymamaktadır. Parçalı bulutlu havalarda dahi güneşe yönelmektedir. Motor tahrikli olduğu için aktif bir sistemdir. Motor pozisyonlarından herhangi bir geri besleme sinyali almadığından açık döngü bir sistemdir. Serbestlik derecesine göre iki eksenli bir sistemdir.

MATERYAL VE METOD
Bu çalışmada mekanik tasarım olarak döndürme momentlerini minimuma indirecek şekilde hareket edilmiştir. Geleneksel azimut-yükseliş tipi tasarımlar kuzey-güney yönündeki hareketi paneli merkezden döndürerek gerçekleştirirler. Geliştirilen tasarım ise paneli bir ucundan yataklayıp diğer ucundan minimum kuvvet ile maksimum momenti sağlamaktadır. Doğubatı hareketi ise yere paralel olmayıp eğik bir eksen etrafında dönmektedir. Bu şekilde eksenin bileşenleri hem doğu-batı hareketini hem de kuzey-güney hareketini içermektedir.

Bu sistemimizin ana ekseni olmaktadır. Dönüş hareketi 90 derece redüktör ve triger kayış ile sağlanmaktadır. Böylece herhangi bir fren tertibatına ya da motorun enerjili kalmasına gerek kalmamaktadır. Ana eksenin eğimini ayarlayan yardımcı eksende vidalı mil tasarımı kullanılarak yükseliş için döndürme kuvveti minimuma indirilmiştir. Bu mil yine triger kayış ile redüktörlü bir motora bağlanmıştır.

Tahrik sisteminde adım motoru veya servo motor kullanmaktan kaçınılmış, 24V doğru akım motorları kullanılarak sürücü ihtiyacına gerek kalmamıştır. Motor dönüşlerini saymak için de endüktif yakınlık anahtarı kullanılmıştır.

Sistem şebeke bağlantılı olarak tasarlanmış böylece akü ihtiyacı olmadığından sistem maliyeti düşürülmüştür. Şebekeye bağlanmak için maksimum güç noktası takip özelliği olan mikroevirici kullanılmıştır. Bu sayede sisteme, güneş ışınlarının enerjisini maksimum düzeyde elektrik enerjisine çevirme ve küçük güçlerde dahi şebekeye bağlanma kabiliyeti kazandırılmıştır.

Sistemin kontrolü için PLC kullanılmıştır. PLC içerisinde gerçek zaman saati mevcut olup güneşin konumu hesaplamak için bu veriyi kullanmaktadır.

Program güneşin pozisyonunu azimut ve zenit açıları cinsinden vermektedir[3].

Platform her gün sabah güneş doğuş vaktinde doğuya dönerek konum almaktadır. Gün içerisinde hesaplanan açı değerlerine göre belirli zaman aralıkları ile akşam güneş batana kadar güneşi takip etmektedir. Bu algoritma iki eksende çalışarak güneşin pozisyonu 1 derecenin altında bir hata ile takip etmiştir.

İkinci bir algoritmayla ise bu tasarımın daha verimli bir çalışma şekli ortaya konmuştur. Sadece tek eksende çalıştırılarak geleneksel azimut- yükseliş tipi iki eksenli takip platformlarına yakın bir performans edilmiştir. Böylece iki motor yerine tek motor çalıştırılarak sisteminenerji tüketimi azaltılarak toplam verimi arttırılmış olur.

Bu geliştirilen takip platformunun hedeflenen düşük tüketim ve yüksek verimi ne ölçüde gerçekleştireceğini görmek için 520W tepe gücünde bir FV sistemini taşıyıp hareket ettirecek bir mekanik tasarım yapılmıştır. Minimum test maliyeti için elektriksel olarak sadece 260W gücünde 1 polikristal FV panel ve 1 mikroevirici, mekaniksel olarak da bilyalı yatak ve rulman kullanılmamıştır. Ana eksen için 60W, yardımcı eksen içinde 30W gücünde motor seçilmiştir. Mekanik parçaların yapım süreci ve montaj kolaylığı açısından İstanbul Tuzla bölgesindeki bir işletme seçilmiş ve nihai tasarım burada devreye alınmıştır.

Test verileri farklı günlerde toplanacağı için bu günlerdeki değerleri birbirine denk kılmak gerekli olduğu için bir güneşlenme sensörü temin edilerek herbir günün güneşten gelen enerji miktarı kaydedilmiştir. Motor tüketimleri için akım ve gerilim ölçme devreleri tasarlanıp bu değerler PLC vasıtasıyla kaydedilmiştir. Mikroeviricinin üretip şebekeye verdiği elektrik enerjisinin miktarı, anlık gerilim ve akım değerleri bir elektronik sayaç üzerinden alınmıştır.

Şekil 1. Protipi geliştirilen tasarımın işletmedeki hali.

BULGULAR VE TARTIŞMA
Tablo 1.de devreye alınan sistemin 1 Haziran 2018 tarihinde tek eksenli çalışma ile, 3 Haziran 2018 tarihinde çift eksen çalışma ile ve 4 Haziran 2018 tarihinde 25 derece sabit açılı şekilde ürettiği elektrik enerjisinin ve sistem tüketimlerinin karşılaştırmalı olarak değerleri verilmiştir. Farklı günlerdeki değerlerin denk bir şekilde karşılaştırmak için her günün güneşlenme değeri sabah güneşin doğuşundan akşam batışına kadar bir piranometre tarafından ölçülmüştür. Daha sonra bu değerleri hesaba katarak panelin yüzey alanına düşen enerji miktarı hesaplanmıştır.

Toplam verimi bulmak için sistemin tek eksen ve iki eksenli çalışma durumlarındaki enerji tüketimleri üretilen enerjiden düşülerek hesaplama yapılmıştır. İki eksenli çalışmada sistem daha önce birçok çalışmada incelendiği gibi sabit sisteme göre yüzde 22,1 daha verimli çıkmıştır. Tek eksenli çalışmada ise tasarımın sabit eksene göre yüzde 20,8 daha verimli çıktığı görülmüştür. Tek eksen ile iki eksen arasında verim açısından sadece yüzde 1,3’lük bir fark çıkmıştır. Fakat motor tüketimleri açısından iki eksenli sistemin, tek eksenli sisteme göre 6 kat daha fazla enerji tükettiği görülmüştür. Tasarımın eksen motorlarının tüketimi burada kontrol sistemi tüketimine göre çok az gözükse de 100kW mertebesindeki bir kurulumda kontrol ünitesi gücü aynı kalacak fakat motor güçleri 10-15 kW mertebesine çıkacaktır. Bu durumda da önerilen tek eksenli çalışmanın önemi ortaya çıkacaktır.

SONUÇ
Bu çalışmada geliştirilen eğik eksenli tasarımın tek eksen ile çalışmada hedeflenen düşük tüketim ve yüksek verim değerlerine İstanbul, Tuzla bölgesi Haziran ayı şartlarında ulaştığı doğrulanmıştır. Aynı zamanda önerilen tek eksenli çalışmanın panel yüzeyinin topladığı güneş enerjisinin miktarı kritik derecede düşürmediği ortaya çıkarılmıştır. Böylelikle yardımcı eksenin vasıtası ile panel eğimi günlük bazda değiştirilerek tasarım yıl boyunca verimli bir şekilde kullanılabilmektedir.

TEŞEKKÜR
Bu tasarımı hayata geçirme noktasında Amcor Flexibles İstanbul Ambalaj San. ve Tic. A.Ş. şirketi, takip platformu için parça ve montaj konusunda her türlü desteği vermiştir.

Kaynaklar
[1] Fatma Çanka Kılıç, 2015. Güneş Enerjisi, Türkiye’deki Son Durumu ve Üretim Teknolojileri. Mühendis ve Makina, Cilt 56, Sayı 671, Sayfa No: 2
[2] Rajesh Singh, Suresh Kumar, Anita Gehlot, Rupendra Pachauri, 2018. An imperative role of sun trackers in photovoltaic technology: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 82, Part 3, Pages 3263-3278.
[3] Nadia Al-Rousan, Nor Ashidi Mat Isa, Mohd Khairunaz Mat Desa, Advances in solar photovoltaic tracking systems: A review. Renewable and Sustainable Enegy Reviews, Volume 82, Pages 2548-2569.
[4] Akif Karanfil, Harun Özbay, Metin Kesler, Hüseyin Parmaksız, 2015. Calculation of Optimum Fixed Tilt Angle of PV Panels Depending on Solar Angles and Comparison of the Results with Experimental Study Conducted in Summer in Bilecik, Turkey. ELECO 2015, 9th International Conference on Electrical and Electronics Engineering, (26.11.2015-28.11.2015).
[5] James P. Dunlop, Photovoltaic Systems, 2nd Edition, 2010. American Technical Publishers,Inc. ISBN 978-0- 8269-1308-1.
[6] Solar Energy International, Photovoltaics: Design and Installation Manuel, 2004. New Society Publishers. ISBN 978-0-86571-520-2.