Evsel uygulamalar için güneş enerji sisteminin geliştirilmesi

Abstract

Medeniyetin gelişimi insanlığın enerjiyi kullanma beceri, yöntem ve yoğunluğu ile doğrudantakip edilebilir. İnsan yapabilmek için enerjiye muhtaçtır ve sanayi devriminden sonra barizleşenbir 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 gerekliçaba ve masraf sürekli artmaktadır. Bu kaynakların enerji dönüşüm verimleri düşüktür ve çevreyeverdikleri zararlar oldukça fazladır. Bu nedenle, yenilenebilir enerji kaynaklarının elektrikenerjisi üretimindeki payları hala düşük olsa da bu yöntemlerin kullanım oranını yükseltme hızıhidrokarbon temelli enerji üretimine göre yüksektir.Fotovoltaik sistemler, büyük ölçekli santraller şeklinde şebeke beslemek adına kurulabileceğigibi bu çalışmanın odaklandığı alan olarak evsel kullanımlar için uygun uygulamalarda da gerçekleştirilebilir.Evsel fotovoltaik sistemler, kolektif olarak enerji arzında önemli paylar eldeedebilirler. Bununla beraber evsel uygulamalar yüke yakın yerlere kurulmuş olacağından gelenekselbüyük santraller ve uzun iletim hatlarından kaynaklanan kayıpları en aza indirgeyebilirlerve bu sistemler şebekenin henüz ulaşamadığı yerlerde etkin bir alternatif olabilirler.Bu tez çalışmasında şebekeden bağımsız fotovoltaik elektrik enerjisi üretim sistemi önerilmişve simülasyon çalışması gerçekleştirilmiştir. Sistemde 6 adet seri panel ve 2 adet paralel koldanoluşan toplam 12 adet panel kullanılmıştır. Panellerden oluşan fotovoltaik dizi matematikselolarak modellenmiştir.Panellerin çıkışında yükseltici DC-DC dönüştürücü kullanılmıştır. Bu dönüştürücü maksimumgüç takibi yöntemlerinden olan değişim ve gözlem (DeG) yöntemi ile kontrol edilmiştir. Böylecefarklı ışınım ve sıcaklık değerleri için panellerden maksimum güç çekilebilmektedir.Sistemde enerji depo birimi olarak batarya yer almaktadır. Panellerde üretilen ve yükün talebindenfazla olan enerji bataryalarda depolanmaktadır. Batarya ile DC bara arasında çift yönlüenerji akışını kontrol edebilmek için çift yönlü DC-DC dönüştürücü kullanılmıştır. Böylecebataryaların şarj ve deşarj akımı kontrol altında tutulabilmiştir.Sisteminde çıkışında ise AC yükün enerji ihtiyacını karşılamak için tek fazlı tam köprü birevirici kullanılmıştır. Evirici çıkşındaki LC filtre ile 220 V büyüklüğünde ve 50 Hz frekansındayük gerilimi elde edilmiştir.Sistemin farklı koşullar altındaki çalışma performansını ortaya koyabilmek için panellerin ışınımve sıcaklık değerleri değiştirilmiştir. Farklı değerler uygulanarak panellerin enerji üretimiile yükün enerji talebi arasındaki denge değiştirilmiş ve bataryanın şarj ve deşarj olma durumlarıgözlemlenmiştir. Yine bataryaların aşırı şarj ve aşırı desarj durumları ve bu durumlardakikoruma algoritmalarının cevabı incelenmiştir.Yapılan çalışma sonunda önerilen sistemin şebeke olmayan bir bölgede elektrik enerjisi ihtiyacınınsağlanmasında yeterli olacağı görülmüştür. Tez çalışması kapsamında sistem boyutlandırılmasıyapılmamıştır. Sahada gerçekleştirilecek uygulamalarda yükün enerji ihtiyacınınkesintisiz olarak karşılanabilmesi için boyutlandırma yapılarak panel gücü ve akü kapasitesiuygun değerlerde seçilmelidir.

The development of civilization can be tracked directly by the facilities, methods and intensityof mankind's use of energy. In order to be able to do human beings are in need of energy and asa phenomenon that becomes clear after the industrial revolution, the size of this need and thevariety of qualities have increased considerably.Most of the current electric energy production is provided by hydrocarbon-based fuels. Theseresources are limited on earth and the effort and expense required to obtain the remaining reservesis constantly increasing. Conversion efficiency of them are limited and they has significallyirreversible damage effects on the environment. For this reason, although the share of renewableenergy sources in electricity generation is still low, the rate of increase of the ration of usageof 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. Domesticphotovoltaic systems collectively can gain significant shares in energy supply. However, sincedomestic applications will be installed close to the load, losses from traditional large powerplants and long transmission lines can be reduced to the greatest, and these systems can be aneffective 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. Thephotovoltaic array consisting of panels is mathematically modeled.The boost DC-DC converter is used at the output of the panels. This converter is controlledby the perturb and observation method (P&G) which is one of the maximum power point trackingmethods. Thus, maximum power can be drawn from the panels for different radiation andtemperature values.The system includes the battery as an energy storage unit. Energy produced in panels morethan the demand of the load is stored in batteries. The bidirectional DC-DC converter is usedto control the bi-directional energy flow between the battery and the DC bus. Thus, the chargeand 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 demandof the AC load. With the LC filter at the outlet of the inverter, a load voltage of 220 Vand a frequency of 50 Hz is obtained.The radiation and temperature values of the panels have been changed in order to demonstratethe performance of the system under different conditions. By applying different values, thebalance between the energy production of the panels and the energy demand of the load hasbeen changed and the charge and discharge conditions of the battery have been observed. Inaddition, the overcharging and over-discharge of the batteries and the response of the protectionalgorithms in these cases have been examined.At the end of the study, it is seen that the proposed system would be sufficient to provide theelectrical energy demand in a non-network area. The system has not been dimensioned withinthe scope of the thesis study. In order to meet the energy needs of the load continuously in theapplications to be performed in the field, panel power and battery capacity should be selectedat appropriate values.