Fotovoltaik destekli su pompası sistemlerinin analiz ve optimizasyonu

Abstract

ÖZET Yüksek Lisans Tezi FOTOVOLTAİK DESTEKLİ Su POMPASI SİSTEMLERİNİN ANALİZ ve OPTİMİZASYONU Z.Abidin FIRATOĞLU Harran Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makina Mühendisliği Anabilim Dalı 2003 Fotovoltaik (PV) destekli su pompası sistemlerinin en yaygın kullanım şekli; PV panellerden elde edilen gücün direkt olarak pompa motoruna aktarıldığı `direkt akupleli'' sistemlerdir. Bu tür sistemlerde ilk yatıran maliyetindeki en önemli payı PV paneller oluşturduğundan, gerekli su debisini minimum sayıda panel ile temin etmek optimizasyonun temel hedefidir. Bu hedefe ulaşmak ise, ancak dizaynın yapılacağı bölge için söz konusu ışınım şiddeti andığı, panel eğim açısı ve panellerin elektriksel bağlantı (seri,paralel) konfigürasyonlarının doğru optimizasyonu ile mümkündür. Bu çalışmada direkt akupleli PV destekli bir su pompası sistemi için yukarıda sözü edilen parametreleri içeren çok aşamalı bir optimizasyon gerçekleştirilmiştir. Takip edilen aşamalar şu şekildedir: i. Sistemin uygulanacağı yöre olarak seçilen ve gerek ışınım şiddeti ve gerekse güneşlenme süresi açısından Türkiye'nin en şanslı bölgelerinden olan Şanlıurfa ili için Devlet Meteoroloji İşleri Müdürlüğü'nden temin edilen 16 yıllık (1985- 2001) ölçümler ile ışınım şiddeti ve çevre sıcaklığı için çok kapsamlı elektronik veri tabanı oluşturulması, ii. Oluşturulan meteorolojik veri tabanları yardımıyla; dizayn için en uygun ışınım aralığı, panel eğim açısı ve matematiksel model seçiminin yılın tüm ayları ve günün tüm güneşli saatleri göz önünde bulundurularak yapılması, iii. PV panel sayısı ve bağlantı konfigürasyonun sistemin maksimum güç üretebileceği noktalar baz alınarak literatürde kullanılan grafiksel ve nümerik metotlara nazaran daha az bilgisayar zamanı ve işlem yüküne sahip istatistiksel bir metot yardımıyla optimizasyonu, iv. Meteorolojik veri için seçilen matematiksel modeller ile yapılan optimizasyonda, ölçüm sonuçlarını kullanma durumuna kıyasla oluşabilecek mutlak hataların belirlenmesi. Optimizasyon sonrasında hesaplanan PV panel sistemi güç çıktısı, pompa su debisi ve sistem verimi değerlerinin günün ve yılın büyük bir bölümü için sabit ve arzu edilen seviyeye yakın olması, optimizasyonun başarısı adına en olumlu göstergelerden biri olarak kabul edilebilir. Çalışmanın diğer bir önemli özelliği ise, yeryüzündeki herhangi bir bölgede burada sunulan adım ve yöntemler kullanılarak kolayca genelleştirilebilir. I

ABSTRACT Master Thesis ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF PHOTOVOLTAIC WATER-PUMPING SYSTEMS Z. Abidin FIRATO?LU Harran University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Mechanical Engineering 2003 The most common type of photovoltaic (PV) pumping systems is directly- coupled system, in which power produced from PV panel is directly transferred to pump-motor. In this type of system, cost of PV array covers significant part of investment; therefore, the main concern is to provide desired pump-flow-rate by minimum numbers of panels. Accurate selections and optimizations of local radiation intensity interval, panel-tflt-angle, and configuration of PV array electrical connection (seri, parallel) are necessary to achieve this goal. In this study, a multi- step optimization, which considers the parameters mentioned above, is performed for a directly-coupled system PV pumping system. The steps followed are summarized below: i) Formation of detailed meteorological database in electronic format for Sanliurfa, which is selected as application region because of having rich solar energy potential, by long-term (16 years, between 1985-2001) meteorological measurement provided by National Meteorology Center, ii) Determination of optimum solar radiation intensity interval, optimum panel-tilt- angle, and the best mathematical model for all months in a year and all sunny hours in a day by using electronic database constructed previously, iii) Optimizations of numbers of PV panels and PV array configuration by using a highly accurate statistical method, which provides less computer time and thus less computational cost, iv) Evaluation of absolute errors that would result from using the mathematical models for meteorological data instead of using measured ones. Following to the optimization, calculated values of PV panel power-output, pump water flow-rate, and system efficiency have stayed at almost constant and desired level for most part of the day and year. These results can be considered as a success for the optimization. The method outlined here has also another importance in a way that it can easily be applied to any region in the earth by following similar mathematical procedure given here. n