Fotovoltaik bir modülün farklı modeller kullanarak elektriksel modellenmesi ve deneysel doğrulanması

Abstract

Güneş enerjisinin kaynağı, güneş sistemimizin merkezinde bulunan yıldızın çekirdeğinde meydana gelen füzyon reaksiyonları sonucunda açığa çıkan elektromanyetik ve ısıl enerjidir. Güneşten gelen bu enerjinin atmosfer dışı değeri yaklaşık olarak 1367 W/m²'dir ve bu değer `güneş sabiti` olarak adlandırılır. Dünyamıza gelen bu enerjinin belli bir miktarı atmosfer tarafından uzaya geri yansıtılır. Atmosfer içerisinde ise yansıma, dağılma, soğrulma ve diğer engeller sonucunda deniz seviyesinde 0-1100 W/m² aralığında değerler alabilmektedir. Fotovoltaik hücreler, güneşten gelen elektromanyetik enerjiyi elektrik enerjisine çevirebilen yarı iletken yapılardan oluşan enerji dönüşüm cihazlarıdır. Bu çalışmada, 36 adet fotovoltaik hücreden oluşan polikristal bir panel kullanarak Bolu ilinde Bolu Abant İzzet Baysal Üniversitesi Mühendislik Fakültesi'nde prototip bir deney sistemi kurulmuştur. Bu deneysel sistem, fotovoltaik modülün yanı sıra, sistem karakteristiklerini ölçmek için sensörler, veri kayıt cihazı ve elektronik kontrol ünitesi içermektedir.Bu deney sistemi vasıtasıyla 6 ayrı gün için her 10 dakikada bir ışınım şiddeti (G), sıcaklık (T), gerilim (V) ve akım (A) değerleri ölçülerek model benzetimlerinden elde edilen akım ve voltaj değerleri ile karşılaştırılmıştır. Söz konusu günler için zamana bağlı olarak 4 değişkenli model, geliştirilmiş 4 değişkenli model, 5 değişkenli model ve 2 diyot model olmak üzere toplam 4 farklı analitik I-V eğri modeli ile akım ve gerilim çözümlemesi yapılarak elde edilen değerler, ölçülen değerler ile karşılaştırılmıştır. Modellerden hesaplanan ve ölçülen gerçek veriler, RMSE ve R² istatiksel yaklaşım yöntemleri ile karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Söz konusu istatistiksel parametrelere göre fotovoltaik deney düzeneğinden toplanan veriler doğrultusunda yapılan model benzetim hesaplamaları içerisinde en yüksek başarıyı gösteren modelin 4 değişkenli model olduğu görülmüştür.

The source of solar energy is the electromagnetic and thermal energy released due to the fusion reaction within the core of the star located at the centre of our solar system. The average value of this energy originating from the Sun out of the atmosphere of the earth is approximately 1367 W/m² and its called `solar constant`. A certain amount of this energy is reflected back to the space by the atmosphere of the earth. Within the atmosphere of the earth, the value of solar energy is in the range 0-1100 W/m² due to the reflection, absorbance, accentuation and other obstructions. Photovoltaic cells are energy conversion devices made of semiconductor structures, converting the electromagnetic energy coming from sun to electrical energy.In the present study, an experimental system has been set up consisting of a polycrystalline type of photovoltaic panel made up by 36 cells, at the Faculty of Engineering of Bolu Abant İzzet Baysal University, in Bolu province. As well as the photovoltaic panel, the experimental system consists of sensors to measure system characteristics, data logger, battery and an electronic control unit. A validation of the system characteristics obtained by the solution of analytical equations has been made, measuring solar radiation (G), temperature (T), voltage (V) and current (A) at 10 minute intervals on this experimental system, for a total of 6 days. Based on these 6 days, using a total of 4 different analytical I-V curve model namely, 4-parameter, improved 4-parameter, 5-parameter and 2-diode models, the current and voltage values have been determined and compared to the values measured. The results of these solutions have been analysed based on the statistical indicators RMSE and R². Based on these measurements, solutions and the statistical indicators, it has been shown that amongst these 4 different models, the 4-parameter model has proved to be the most accurate model, leading to the most favourable statistical results.