Fotovoltaik Panellerde Eğim Açısı Etkisinin Deneysel Olarak Saptanması
Bu amaçla, eğim açısı ayarlanabilir bir düzenek dizayn edilmiş ve mevsimlik sabit eğim açısıyla yerleştirilmiş bir PV panel ile, aylık optimum eğim açısında yerleştirilmiş bir panelin güç karakteristikleri kıyaslanmıştır. Elde edilen sonuçlar, basit ve ekonomik bir düzenekle, ayda sadece bir kez eğim açısı ayarlanarak, daha yüksek güç çıktılarına ulaşılabileceğini göstermektedir.
ABSTRACT
In this experimental study, the effect of slope angle on power characteristics of photovoltaic (PV) systems is investigated. Main object here is to obtain an increase on PV panel power output by using a movable frame to adjust panel slope to the desired one. We constructed such a set-up and compared power characteristics of two PV panels at different slopes: one is inclined at the constant seasonal slope angle whereas the other is tilted at optimum-monthly-slope-angle. The results show that reaching higher power outputs is possible by adjusting panel-slope angle only once in a month with a simple and economic set-up.
1. GİRİŞ
Fotovoltaik (PV) paneller, üretim maliyetlerinde son yıllarda sağlanan iyileştirmelere karşın, bir PV sistemi kullanıcısı için hala yeterince ucuz bir seçenek değildir. Bu nedenle, bir PV sisteminin tasarımı aşamasında istenilen amaca en az sayıda panel ile ulaşmak temel hedef olup, üretilen gücün artmasına yönelik her türlü termo-ekonomik çözümün değerlendirilmesi gereklidir [1,2]. PV panellerde üretilen güç; ışınım şiddeti, çevre sıcaklığı, panele bağlı yükün elektriksel karakteristikleri, panel bağlantı (seri, paralel) konfigürasyonu gibi bir çok parametrenin fonksiyonu olup, panelin maksimum seviyede ışınım toplaması öncelikli hedeflerden biridir. Ancak, uygulamada PV panel sistemlerinin, yıl ya da sezon boyu sabit eğim açısı ile yerleştirilmelerinden dolayı, üretilen güçte önemli seviyede kayıplar oluşmaktadır [3].
PV panel üzerine gelen güneş ışınımının maksimum olabilmesi için panel düzleminin ışınlara dik bir şekilde güneşi takip etmesi gerekir. Ancak, pratik uygulamalarda güneşi takip eden sistemlerin ilk yatırım maliyeti yüksek ve kullanımı zor olduğundan [4], sabit eğim açılı yerleştirme uygulaması daha yaygındır.
Güneş ışınının dünyanın yatay yüzeyine geliş açısı, gün ve yıl boyunca; deklinasyon açısına, bölgenin enlem derecesine ve güneş batış açısına bağlı olarak değişmektedir. Bu nedenle, uzun dönem ortalaması alınarak belirlenen sabit eğim açısının, sezonluk ya da yıllık kullanımında, elde edilebilir ışınım potansiyeli ile kullanılabilir ışınım potansiyeli arasında sistem aleyhine olmak üzere, önemli farklar oluşabilmektedir [5]. Birçok güneş enerjisi uygulaması için yıllık bazda eğim açısı optimizasyonu yeterli olabilmesine karşın, PV sistemlerde elektrik enerjisi çıktısını arttırabilmek için aylık bazda eğim açısı optimizasyonuna gereksinim söz konusudur. Daha önceki çalışmalarımızda [2,3] bu konu teorik olarak araştırılmış olup, kıyaslama amacıyla; eğim açısı saatlik, aylık ve yıllık optimum değerlerde ayarlanabilir üç farklı yerleştirme pozisyonu seçilerek, panel yüzeyine gelen günlük toplam ışınım değerleri araştırılmıştır. Şanlıurfa ili uzun dönem meteorolojik koşulları göz önüne alınarak yapılan analizden elde edilen çarpıcı sonuçlar Şekil 1’de gösterilmiştir.
Şekil 1’de gösterilen, eğim açısı saatlik değiştirilebilir sistem, otomatik bir güneş takip mekanizması gerektirmektedir. Eğim açısı aylık değiştirilebilir sistem, basit mekanik bir düzenek ile sistem eğim açısının, ayda sadece bir kez hesaplamalarla belirlenen optimum aylık ortalama eğim açısında ayarlanmasını öngörmektedir. Diğer sistem için ise, eğim açısı yıl boyunca, yıllık optimum eğim açısı olarak kabul edilen yöre enlem açısında sabit tutulmaktadır. Elde edilen sonuçlar, PV panel eğim açısının ayda bir kez değiştirilmesinin termoekonomik açıdan en uygun çözüm olduğunu göstermektedir [2].
Bu çalışmada benzer kıyaslama, deneysel yöntemle yapılmaktadır. Deneylerin yapılabilmesi için öncelikle, panelin belirlenen açıda yerleştirilmesini temin eden, kullanımı basit, düşük maliyetli bir sehpa dizayn edilmiştir. Deneyler; farklı eğim açılarında yerleştirilen, aynı teknik özelliklere sahip iki PV panel için, Eylül (2004) ayı içerisinde ve aynı günde gerçekleştirilmiştir. Eylül ayı; mevsimlik değerlere göre tasarlanan sistemlerde, Ağustos ayını takip eden ilk ay olması sebebiyle, genellikle ‘yaz’ sezonu içerisinde değerlendirilmektedir. Bu tür uygulamalarda, optimum mevsimlik eğim açısı değeri, yörenin enlem derecesinin 15û altında seçilmektedir [5]. Bu doğrultuda mevcut çalışmada; panellerden biri optimum aylık ortalama eğim açısı referans alınarak aay = 33û’de; diğeri ise optimum sezonluk ortalama eğim açısı referans alınarak amevs = 21 û’de yerleştirilerek, elde edilen panel güçleri kıyaslanmıştır.
2. MATERYAL VE METOT
2.1. Optimum aylık ortalama eğim açısı değerleri
Optimum açıların saptanabilmesinin ilk koşulu eğimli yüzeylere gelen ışınımın hesaplanabilmesidir. Literatürdeki meteorolojik ölçüm verisi olan yatay yüzeye gelen ışınım verilerinden yararlanarak eğimli yüzeyler için geliştirilmiş birçok model bulunmaktadır [5]. Literatürde mevcut ışınım şiddeti ile ilgili modeller yardımıyla, Fıratoğlu ve Yeşilata [2] tarafından Şanlıurfa iline ait 16 yıllık (1985-2001) uzun dönem verileri kullanılarak; bulanıklık indisi, yayılı ve direkt ışınım şiddetleri hesaplanmıştır. Söz konusu çalışmada, kapsamlı meteorolojik dataya sahip olmanın avantajı kullanılarak, güneye dönük yerleştirilmiş paneller için optimum aylık ortalama eğim açıları istatistiksel bir yöntemle hassas olarak belirlenmiştir. Lineer tarama yöntemi olarak isimlendirilen bu yaklaşımda; 0-90û eğim açıları arasında, 1û’lik artırımlarla panel yüzeyine ulaşan günlük toplam ışınım şiddetleri belirlenmiş ve yılın her bir ayı için bu değerler arasından maksimum ışınım toplayan eğim açıları tespit edilmiştir. Kapsamlı bir algoritma kullanılarak elde edilen optimum aylık ortalama eğim açıları değerleri Şekil 2’de gösterilmektedir. Mevcut deneysel çalışma Eylül ayında gerçekleştirildiği için, optimum aylık eğim açısı değeri olarak Şekil 2’de gösterilen a = 32û değeri referans alınmıştır.
2.2. Deney düzeneği
Bu deneysel çalışmada, eğim açısının panel tarafından üretilen güç üzerindeki etkisini araştırmak için, öncelikle panelin belirlenen açıda yerleştirilmesini temin eden, kullanımı basit, düşük maliyetli bir sehpa dizayn edilmiştir. Sehpa Şekil 3 (a)’da gösterilmiş olup, panel eğiminin 0-90û arasında 3û aralıkla ayarlanabileceği hareketli bir çerçeveye ve panelle aynı açıda yerleştirilmesi gereken ışınım-ölçerin monte edilebileceği düzlemsel bir yüzeye sahiptir.
Deneylerde, Solarex firması tarafından piyasaya sürülen ve teknik özellikleri Tablo 1’de verilen SX60U tipi PV paneller kullanılmıştır. Ölçümler, 37.1 enlem derecesine sahip Şanlıurfa ili meteorolojik şartlarında ve 2-4 Eylül 2004 tarihleri arasında gerçekleştirilmiştir. Deney süresince çok sayıda parametrenin birlikte ölçümü gerektiğinden, bilgisayar destekli bir data ölçüm Ğ kayıt sistemi oluşturulmuştur. Şekil 3(b)’de şematik olarak gösterilen elektronik sistem temel olarak; güneş ışınımını ölçmek için kullanılan ve panellerle aynı eğim açısında yerleştirilen piranometre, PV panellerin voltaj ve akımını ölçmek için kullanılan 2 adet multimetre, verilerin aktarıldığı bir bilgisayar ve üretilen güçle tahrik edilen bir cihazı temsil eden sürgülü bir reostadan oluşmaktadır. Ayrıca, panel yüzey sıcaklığı ölçümü için, her bir panelin arka yüzeyine yapıştırılmış, K-tipi bir ısıl çift bulunmaktadır. Multimetre ile bilgisayar ara bağlantısı RS-232 kablo ile gerçekleştirilmiştir. İstenilen yük (direnç) değeri sürgülü reosta ile ayarlanabilmektedir. Eğim açısının etkisinin araştırıldığı deneylerde, sabit direnç değeri olarak, PV panelin standart test koşullarında maksimum güç ürettiği noktasal direnç değeri olan, R = 4,72 W değeri kullanılmıştır [6].
Deneylerde kullanılan iki PV panelden biri, optimum aylık ortalama eğim açısı referans alınarak aay = 33û’de; diğeri ise optimum sezonluk ortalama eğim açısı referans alınarak, amevs = 21û’de yerleştirilmiştir. Eğim açısı değerlerindeki belirsizlik miktarı, olup, panellerin optimum aylık ve sezonluk açı olan 32û ve 22û değerlerine tam olarak ayarlanamaması, kullanılan sehpa üzerindeki en küçük açı değişiminin 3û olmasından kaynaklanmaktadır. Ölçümler, saat 09:00 -15:30 saatleri arasında, 30 dakika aralıklarla alınmıştır. İki panele ait tek bir ölçü-kayıt sistemi kullanımı nedeniyle, iki panelin sıralı ölçümü, 1 dakikadan daha az bir zaman farkı ile gerçekleştirilmiştir.
3. DENEYSEL SONUÇLAR
PV sistem çıktıları, güç temin edilen elektriksel cihazın iç (yük) direncine bağlı olarak önemli ve lineer olmayan bir değişim gösterdiği için, öncelikle kullanılan PV panelin karakterizasyon deneyi, yani sabit ışınım şiddetindeki akım-voltaj (dolayısıyla güç-direnç) karakteristik eğrileri belirlenmiştir. PV panelin sabit bir ışınım şiddetindeki I-V ilişkisini belirlemek için, öncelikle panelin yüksüz haldeki akım (Isc) ve gerilim (Voc) değerleri ölçülmüş ve hemen ardından ışınım şiddetinin yaklaşık sabit kabul edilebileceği çok kısa bir süre içerisinde, PV panele (sürgülü reosta vasıtasıyla) farklı yükler uygulanarak, her bir yük değerindeki akım ve gerilim değerleri kaydedilmiştir. Ölçümler günün değişik saatlerinde olmak üzere 4 farklı ışınım şiddeti değeri için, 14 farklı yükte tekrarlanmış ve elde edilen panel karakteristik eğrileri Şekil 4(a) ve Şekil 4(b)’de gösterilmiştir. Karakterizasyon eğrilerinin oluşturulmasındaki temel amaçlardan biri, panel için maksimum güç noktaları eğrisini belirleyerek, panele akupleli cihazın I-V eğrisi ile yakın çalışmalarını temin etmektir. Bu konuda daha detaylı bilgiler, bir başka çalışmamızda [6] mevcuttur. Şekil 4’de verilen grafiklerin her ikisinde de, deneysel olarak tespit edilen panel maksimum çalışma noktaları (MPP) eğrisi açık bir biçimde gösterilmektedir.
Farklı eğim açısı ile yerleştirilmiş panellere ait ölçüm sonuçları Şekil 5’de gösterilmektedir. Grafiklerde yatay eksende gösterilen t (dakika) değerleri, deney başlangıcı olan saat 9:00 anından itibaren geçen süreyi temsil etmektedir.
Şekil 5 (a)’da deney süresince panel yüzeylerine ulaşan ışınım şiddetleri kıyaslanmaktadır. Optimum aylık eğim açısı (aay) ile yerleştirilen panel yüzeyine ulaşan güneş ışınım miktarının, optimum mevsimlik eğim açısı (amevs) ile yerleştirilmiş panele kıyasla, özellikle öğle saatlerinden itibaren, belirgin derecede yüksek olduğu görülmektedir. Şekil 5 (b)’den görüleceği üzere, PV panel güçlerinin zamana bağlı izlediği seyir, ışınıma göre farklı olmakla birlikte; eğim açılı panelin ölçüm yapılan noktalarda ürettiği güç daha yüksektir. Güç ile ışınım değerlerinin zamana bağlı seyirlerinde bir paralellik olmaması; PV panellerin ürettiği güç değerinin, ışınım şiddeti dışında, panel yüzeyinde farklı eğimlerde değişen toplam ısı transfer katsayısı, panel yüzey sıcaklığı gibi diğer faktörlere de bağlı olmasıyla açıklanabilir (örneğin, Bknz: [1]).
Eğim açısı etkisini daha belirgin bir şekilde sergilemek amacıyla, eğim açılı panele ait değerler, amevs eğim açılı panel değerlerine oranlanarak, elde edilen boyutsuz parametreler Şekil 6’da gösterilmiştir. Örnek olmak üzere, boyutsuz güç değeri P*=P (aay)/P(amevs) bağıntısı ile tanımlanmıştır. Bu şartlarda; P*>1 durumunda, aay eğim açılı panel gücü daha yüksektir. Bu yaklaşım diğer boyutsuz parametreler olan; boyutsuz ışınım şiddeti (G*), boyutsuz akım (I*) ve boyutsuz voltaj (V*) için de aynen geçerlidir. Şekilde X* göz önüne alınan boyutsuz parametrelerden herhangi birini göstermektedir (örneğin boyutsuz güç incelenirken, X* sembolü, P* olarak düşünülmelidir).
Şekil 6’da öğle zamanı (yerel saat 12:00 ve t=180 dak) öncesi ve sonrası için boyutsuz parametrelerin trendinde önemli farklar olduğu görülmektedir. Öğle öncesi eğim açısı ile yerleştirilmiş panel ile % 5 değerlerine varan miktarlarda daha az güneş ışınımı toplanmasına karşın, panel akım ve voltaj (dolayısıyla güç değerlerinde) elde edilen %10 değerlerindeki (güç için % 21) fazlalıklarda, panel yüzey sıcaklıklarındaki farkların önemli bir rolü olduğu tespit edilmiştir. Örneğin maksimum farkın elde edildiği anda (t=90 dak), panel yüzey sıcaklığı eğim açılı panel için 44.2 ûC iken, diğer panelde bu değer 47.6 ûC olarak ölçülmüştür. Yarı-iletken malzeme teorisine uygun olarak; PV panel tarafından üretilen akım ve voltaj, hücre (panel yüzey) sıcaklıklarının artışıyla düşmektedir [1]. Günün ilk saatlerinde daha yüksek ışınıma maruz kalan eğim açılı panelde, PV hücreler daha fonksiyonel çalışarak daha erken ısınmakta ve dolayısıyla güç çıktıları düşmektedir. Panel yüzey sıcaklığı değerine direkt etki eden parametrelerden biri çevre sıcaklığı olup, söz konusu saatlerde dinamik bir değişim sergilemektedir. Öğle saatlerinden itibaren çevre sıcaklığı, deney sonu anına (yerel saatle 15:30) kadar çok daha yavaş değişmekte ve ayrıca ışınım şiddeti seviyesinin de her iki panel için aşırı yükselmeleriyle, panel yüzey sıcaklıkları arasındaki fark kapanmaktadır. Örneğin, söz konusu sıcaklıklar öğle saatinde sırasıyla, 55.7 ûC ve 54.7 ûC olarak ölçülmüştür. Bu durumda her iki panel için, gelen ışınım şiddetlerindeki farka karşın, üretilen güçler birbirine yakındır. Şekil 6’daki grafik; PV panel güç karakteristikleri ile sistemle ilişkili bir çok parametre arasındaki doğrusal olmayan ilişkinin bir göstergesi olarak ta önem taşımaktadır. Çünkü, Şekil 6’da elde edilen trendin tesadüfü olmadığı, farklı kapsamdaki diğer deneylerimizde de (örneğin, Bknz: [6]) gözlenmiştir.
4. DEĞERLENDİRME VE ÖNERİLER
Bu çalışmada, eğim açısı ayarlanabilir bir düzenek dizayn edilmiş ve mevsimlik sabit eğim açısıyla yerleştirilmiş bir PV panel ile, aylık optimum eğim açısında yerleştirilmiş bir panelin güç karakteristikleri kıyaslanmıştır. Elde edilen sonuçlar, PV panellerin yıl ya da mevsim boyunca sabit eğim açılarıyla yerleştirilmeleri yerine, basit ve ekonomik bir düzenek yardımıyla ayda bir defa, o ayın optimum eğim açısına ayarlanarak kullanılmalarını destekler niteliktedir. Çünkü, bu çalışmada seçilen ay ve mevsim itibariyle eğim açıları arasında sadece 10û gibi küçük bir farkın olduğu iki panel arasında bile, optimum eğim açılı panel avantajını sergileyen sonuçlar elde edilmiştir. Yapılan hesaplamalarla, deney yerel zaman aralıkları olan saat 09:00-15:30 arasındaki 390 dakikalık süre boyunca, gelen toplam ışınım şiddetinde % 2.3, üretilen güçte ise % 3.4 bir artış sağlandığı gözlenmiştir. Bu artış miktarının eğim açısı farklarının arttığı dönemlerde (örneğin; Haziran ve Temmuz aylarında, amevs - aay =22 ûve ayıl - aay = 37û) çok daha yüksek olacağı göz önüne alınmalıdır. Ayrıca pratik uygulamalarda, bir panel yerine çok sayıda panel kullanılacağı düşünülürse, her bir panel için sağlanacak güç artışının, panel sayısı ile çarpımı sonucu önemli değerlere ulaşılacağı gerçeği göz ardı edilmemelidir.
SEMBOLLER
I Akım (A)
I* Boyutsuz akım değeri
Isc Kısa devre akımı (A)
G Işınım şiddeti (W/m2)
G* Boyutsuz ışınım şiddeti
P Güç (W)
P* Boyutsuz güç değeri
R Direnç değeri (ohm)
T Sıcaklık (ûC)
t Süre (dak)
V Voltaj (V)
V* Boyutsuz voltaj değeri
Voc Açık devre gerilimi (V)
X* Boyutsuz parametre
a Eğim açısı (û)
aay Optimum aylık eğim açısı (û)
amevs Optimum mevsimlik eğim açısı (û)
ayıl Optimum yıllık eğim açısı (û)
KAYNAKLAR
[1] Kou, Q., Kleın, A., Beckman, W., ‘ A method for estımatıng the long-term performance of direct-coupled pv pumping systems’, Solar Enery, 64, 33-40, (1998).
[2] Fıratoğlu, Z.A., Yesilata B. ‘ New approaches on the optimization of directly-coupled photovoltaic water-pumping systems ‘, Solar Energy, 77, 1, 81-93, (2004).
[3] Fıratoğlu, Z.A., Yesilata B. ‘ Direkt-akupleli fotovoltaik su pompası sistemlerinin çok aşamalı optimizasyonu’, Y.T.Ü. Sigma Dergisi’ne basım için sunuldu, (2004).
[4] Yeşilata B, Pıhtılı K, Ata F ‘Yoğunlaştıran güneş kollektörleri için güneş hareketini izleyen sistemler ve örnek bir uygulama.’ Mühendis ve Makina, cilt 35, sayı 390, sayfa 25-32 (1992).
[5] Duffie, J. A. and Beckman, W. A., Solar Engineering of Thermal Processes, John Wiley & Sons Inc., New York, (1991).
[6] Aydın, M., Yeşilata B., ‘PV Panel Güç Karakteristiklerinin Deneysel Yöntemle Belirlenmesi’, Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi’ne basım için sunuldu, (2004). y
Teşekkür
Bu çalışmaya maddi destek veren Harran Üniversitesi Bilimsel Araştırma Komisyonu’na (HÜBAK Proje No: 457) ve çeşitli seviyelerdeki katkılarından dolayı Yrd. Doç. Dr. Hüsamettin Bulut, Makina Mühendisleri M.Selim Üçgül ve Cüneyt Erdem ile Elektrik-Elektronik Mühendisi Hadi Süzer’e teşekkür ederiz.
Metin AYDIN - Bülent YEŞİLATA
Harran Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü
ABSTRACT
In this experimental study, the effect of slope angle on power characteristics of photovoltaic (PV) systems is investigated. Main object here is to obtain an increase on PV panel power output by using a movable frame to adjust panel slope to the desired one. We constructed such a set-up and compared power characteristics of two PV panels at different slopes: one is inclined at the constant seasonal slope angle whereas the other is tilted at optimum-monthly-slope-angle. The results show that reaching higher power outputs is possible by adjusting panel-slope angle only once in a month with a simple and economic set-up.
1. GİRİŞ
Fotovoltaik (PV) paneller, üretim maliyetlerinde son yıllarda sağlanan iyileştirmelere karşın, bir PV sistemi kullanıcısı için hala yeterince ucuz bir seçenek değildir. Bu nedenle, bir PV sisteminin tasarımı aşamasında istenilen amaca en az sayıda panel ile ulaşmak temel hedef olup, üretilen gücün artmasına yönelik her türlü termo-ekonomik çözümün değerlendirilmesi gereklidir [1,2]. PV panellerde üretilen güç; ışınım şiddeti, çevre sıcaklığı, panele bağlı yükün elektriksel karakteristikleri, panel bağlantı (seri, paralel) konfigürasyonu gibi bir çok parametrenin fonksiyonu olup, panelin maksimum seviyede ışınım toplaması öncelikli hedeflerden biridir. Ancak, uygulamada PV panel sistemlerinin, yıl ya da sezon boyu sabit eğim açısı ile yerleştirilmelerinden dolayı, üretilen güçte önemli seviyede kayıplar oluşmaktadır [3].
PV panel üzerine gelen güneş ışınımının maksimum olabilmesi için panel düzleminin ışınlara dik bir şekilde güneşi takip etmesi gerekir. Ancak, pratik uygulamalarda güneşi takip eden sistemlerin ilk yatırım maliyeti yüksek ve kullanımı zor olduğundan [4], sabit eğim açılı yerleştirme uygulaması daha yaygındır.
Güneş ışınının dünyanın yatay yüzeyine geliş açısı, gün ve yıl boyunca; deklinasyon açısına, bölgenin enlem derecesine ve güneş batış açısına bağlı olarak değişmektedir. Bu nedenle, uzun dönem ortalaması alınarak belirlenen sabit eğim açısının, sezonluk ya da yıllık kullanımında, elde edilebilir ışınım potansiyeli ile kullanılabilir ışınım potansiyeli arasında sistem aleyhine olmak üzere, önemli farklar oluşabilmektedir [5]. Birçok güneş enerjisi uygulaması için yıllık bazda eğim açısı optimizasyonu yeterli olabilmesine karşın, PV sistemlerde elektrik enerjisi çıktısını arttırabilmek için aylık bazda eğim açısı optimizasyonuna gereksinim söz konusudur. Daha önceki çalışmalarımızda [2,3] bu konu teorik olarak araştırılmış olup, kıyaslama amacıyla; eğim açısı saatlik, aylık ve yıllık optimum değerlerde ayarlanabilir üç farklı yerleştirme pozisyonu seçilerek, panel yüzeyine gelen günlük toplam ışınım değerleri araştırılmıştır. Şanlıurfa ili uzun dönem meteorolojik koşulları göz önüne alınarak yapılan analizden elde edilen çarpıcı sonuçlar Şekil 1’de gösterilmiştir.
Şekil 1’de gösterilen, eğim açısı saatlik değiştirilebilir sistem, otomatik bir güneş takip mekanizması gerektirmektedir. Eğim açısı aylık değiştirilebilir sistem, basit mekanik bir düzenek ile sistem eğim açısının, ayda sadece bir kez hesaplamalarla belirlenen optimum aylık ortalama eğim açısında ayarlanmasını öngörmektedir. Diğer sistem için ise, eğim açısı yıl boyunca, yıllık optimum eğim açısı olarak kabul edilen yöre enlem açısında sabit tutulmaktadır. Elde edilen sonuçlar, PV panel eğim açısının ayda bir kez değiştirilmesinin termoekonomik açıdan en uygun çözüm olduğunu göstermektedir [2].
Bu çalışmada benzer kıyaslama, deneysel yöntemle yapılmaktadır. Deneylerin yapılabilmesi için öncelikle, panelin belirlenen açıda yerleştirilmesini temin eden, kullanımı basit, düşük maliyetli bir sehpa dizayn edilmiştir. Deneyler; farklı eğim açılarında yerleştirilen, aynı teknik özelliklere sahip iki PV panel için, Eylül (2004) ayı içerisinde ve aynı günde gerçekleştirilmiştir. Eylül ayı; mevsimlik değerlere göre tasarlanan sistemlerde, Ağustos ayını takip eden ilk ay olması sebebiyle, genellikle ‘yaz’ sezonu içerisinde değerlendirilmektedir. Bu tür uygulamalarda, optimum mevsimlik eğim açısı değeri, yörenin enlem derecesinin 15û altında seçilmektedir [5]. Bu doğrultuda mevcut çalışmada; panellerden biri optimum aylık ortalama eğim açısı referans alınarak aay = 33û’de; diğeri ise optimum sezonluk ortalama eğim açısı referans alınarak amevs = 21 û’de yerleştirilerek, elde edilen panel güçleri kıyaslanmıştır.
2. MATERYAL VE METOT
2.1. Optimum aylık ortalama eğim açısı değerleri
Optimum açıların saptanabilmesinin ilk koşulu eğimli yüzeylere gelen ışınımın hesaplanabilmesidir. Literatürdeki meteorolojik ölçüm verisi olan yatay yüzeye gelen ışınım verilerinden yararlanarak eğimli yüzeyler için geliştirilmiş birçok model bulunmaktadır [5]. Literatürde mevcut ışınım şiddeti ile ilgili modeller yardımıyla, Fıratoğlu ve Yeşilata [2] tarafından Şanlıurfa iline ait 16 yıllık (1985-2001) uzun dönem verileri kullanılarak; bulanıklık indisi, yayılı ve direkt ışınım şiddetleri hesaplanmıştır. Söz konusu çalışmada, kapsamlı meteorolojik dataya sahip olmanın avantajı kullanılarak, güneye dönük yerleştirilmiş paneller için optimum aylık ortalama eğim açıları istatistiksel bir yöntemle hassas olarak belirlenmiştir. Lineer tarama yöntemi olarak isimlendirilen bu yaklaşımda; 0-90û eğim açıları arasında, 1û’lik artırımlarla panel yüzeyine ulaşan günlük toplam ışınım şiddetleri belirlenmiş ve yılın her bir ayı için bu değerler arasından maksimum ışınım toplayan eğim açıları tespit edilmiştir. Kapsamlı bir algoritma kullanılarak elde edilen optimum aylık ortalama eğim açıları değerleri Şekil 2’de gösterilmektedir. Mevcut deneysel çalışma Eylül ayında gerçekleştirildiği için, optimum aylık eğim açısı değeri olarak Şekil 2’de gösterilen a = 32û değeri referans alınmıştır.
2.2. Deney düzeneği
Bu deneysel çalışmada, eğim açısının panel tarafından üretilen güç üzerindeki etkisini araştırmak için, öncelikle panelin belirlenen açıda yerleştirilmesini temin eden, kullanımı basit, düşük maliyetli bir sehpa dizayn edilmiştir. Sehpa Şekil 3 (a)’da gösterilmiş olup, panel eğiminin 0-90û arasında 3û aralıkla ayarlanabileceği hareketli bir çerçeveye ve panelle aynı açıda yerleştirilmesi gereken ışınım-ölçerin monte edilebileceği düzlemsel bir yüzeye sahiptir.
Deneylerde, Solarex firması tarafından piyasaya sürülen ve teknik özellikleri Tablo 1’de verilen SX60U tipi PV paneller kullanılmıştır. Ölçümler, 37.1 enlem derecesine sahip Şanlıurfa ili meteorolojik şartlarında ve 2-4 Eylül 2004 tarihleri arasında gerçekleştirilmiştir. Deney süresince çok sayıda parametrenin birlikte ölçümü gerektiğinden, bilgisayar destekli bir data ölçüm Ğ kayıt sistemi oluşturulmuştur. Şekil 3(b)’de şematik olarak gösterilen elektronik sistem temel olarak; güneş ışınımını ölçmek için kullanılan ve panellerle aynı eğim açısında yerleştirilen piranometre, PV panellerin voltaj ve akımını ölçmek için kullanılan 2 adet multimetre, verilerin aktarıldığı bir bilgisayar ve üretilen güçle tahrik edilen bir cihazı temsil eden sürgülü bir reostadan oluşmaktadır. Ayrıca, panel yüzey sıcaklığı ölçümü için, her bir panelin arka yüzeyine yapıştırılmış, K-tipi bir ısıl çift bulunmaktadır. Multimetre ile bilgisayar ara bağlantısı RS-232 kablo ile gerçekleştirilmiştir. İstenilen yük (direnç) değeri sürgülü reosta ile ayarlanabilmektedir. Eğim açısının etkisinin araştırıldığı deneylerde, sabit direnç değeri olarak, PV panelin standart test koşullarında maksimum güç ürettiği noktasal direnç değeri olan, R = 4,72 W değeri kullanılmıştır [6].
Deneylerde kullanılan iki PV panelden biri, optimum aylık ortalama eğim açısı referans alınarak aay = 33û’de; diğeri ise optimum sezonluk ortalama eğim açısı referans alınarak, amevs = 21û’de yerleştirilmiştir. Eğim açısı değerlerindeki belirsizlik miktarı, olup, panellerin optimum aylık ve sezonluk açı olan 32û ve 22û değerlerine tam olarak ayarlanamaması, kullanılan sehpa üzerindeki en küçük açı değişiminin 3û olmasından kaynaklanmaktadır. Ölçümler, saat 09:00 -15:30 saatleri arasında, 30 dakika aralıklarla alınmıştır. İki panele ait tek bir ölçü-kayıt sistemi kullanımı nedeniyle, iki panelin sıralı ölçümü, 1 dakikadan daha az bir zaman farkı ile gerçekleştirilmiştir.
3. DENEYSEL SONUÇLAR
PV sistem çıktıları, güç temin edilen elektriksel cihazın iç (yük) direncine bağlı olarak önemli ve lineer olmayan bir değişim gösterdiği için, öncelikle kullanılan PV panelin karakterizasyon deneyi, yani sabit ışınım şiddetindeki akım-voltaj (dolayısıyla güç-direnç) karakteristik eğrileri belirlenmiştir. PV panelin sabit bir ışınım şiddetindeki I-V ilişkisini belirlemek için, öncelikle panelin yüksüz haldeki akım (Isc) ve gerilim (Voc) değerleri ölçülmüş ve hemen ardından ışınım şiddetinin yaklaşık sabit kabul edilebileceği çok kısa bir süre içerisinde, PV panele (sürgülü reosta vasıtasıyla) farklı yükler uygulanarak, her bir yük değerindeki akım ve gerilim değerleri kaydedilmiştir. Ölçümler günün değişik saatlerinde olmak üzere 4 farklı ışınım şiddeti değeri için, 14 farklı yükte tekrarlanmış ve elde edilen panel karakteristik eğrileri Şekil 4(a) ve Şekil 4(b)’de gösterilmiştir. Karakterizasyon eğrilerinin oluşturulmasındaki temel amaçlardan biri, panel için maksimum güç noktaları eğrisini belirleyerek, panele akupleli cihazın I-V eğrisi ile yakın çalışmalarını temin etmektir. Bu konuda daha detaylı bilgiler, bir başka çalışmamızda [6] mevcuttur. Şekil 4’de verilen grafiklerin her ikisinde de, deneysel olarak tespit edilen panel maksimum çalışma noktaları (MPP) eğrisi açık bir biçimde gösterilmektedir.
Farklı eğim açısı ile yerleştirilmiş panellere ait ölçüm sonuçları Şekil 5’de gösterilmektedir. Grafiklerde yatay eksende gösterilen t (dakika) değerleri, deney başlangıcı olan saat 9:00 anından itibaren geçen süreyi temsil etmektedir.
Şekil 5 (a)’da deney süresince panel yüzeylerine ulaşan ışınım şiddetleri kıyaslanmaktadır. Optimum aylık eğim açısı (aay) ile yerleştirilen panel yüzeyine ulaşan güneş ışınım miktarının, optimum mevsimlik eğim açısı (amevs) ile yerleştirilmiş panele kıyasla, özellikle öğle saatlerinden itibaren, belirgin derecede yüksek olduğu görülmektedir. Şekil 5 (b)’den görüleceği üzere, PV panel güçlerinin zamana bağlı izlediği seyir, ışınıma göre farklı olmakla birlikte; eğim açılı panelin ölçüm yapılan noktalarda ürettiği güç daha yüksektir. Güç ile ışınım değerlerinin zamana bağlı seyirlerinde bir paralellik olmaması; PV panellerin ürettiği güç değerinin, ışınım şiddeti dışında, panel yüzeyinde farklı eğimlerde değişen toplam ısı transfer katsayısı, panel yüzey sıcaklığı gibi diğer faktörlere de bağlı olmasıyla açıklanabilir (örneğin, Bknz: [1]).
Eğim açısı etkisini daha belirgin bir şekilde sergilemek amacıyla, eğim açılı panele ait değerler, amevs eğim açılı panel değerlerine oranlanarak, elde edilen boyutsuz parametreler Şekil 6’da gösterilmiştir. Örnek olmak üzere, boyutsuz güç değeri P*=P (aay)/P(amevs) bağıntısı ile tanımlanmıştır. Bu şartlarda; P*>1 durumunda, aay eğim açılı panel gücü daha yüksektir. Bu yaklaşım diğer boyutsuz parametreler olan; boyutsuz ışınım şiddeti (G*), boyutsuz akım (I*) ve boyutsuz voltaj (V*) için de aynen geçerlidir. Şekilde X* göz önüne alınan boyutsuz parametrelerden herhangi birini göstermektedir (örneğin boyutsuz güç incelenirken, X* sembolü, P* olarak düşünülmelidir).
Şekil 6’da öğle zamanı (yerel saat 12:00 ve t=180 dak) öncesi ve sonrası için boyutsuz parametrelerin trendinde önemli farklar olduğu görülmektedir. Öğle öncesi eğim açısı ile yerleştirilmiş panel ile % 5 değerlerine varan miktarlarda daha az güneş ışınımı toplanmasına karşın, panel akım ve voltaj (dolayısıyla güç değerlerinde) elde edilen %10 değerlerindeki (güç için % 21) fazlalıklarda, panel yüzey sıcaklıklarındaki farkların önemli bir rolü olduğu tespit edilmiştir. Örneğin maksimum farkın elde edildiği anda (t=90 dak), panel yüzey sıcaklığı eğim açılı panel için 44.2 ûC iken, diğer panelde bu değer 47.6 ûC olarak ölçülmüştür. Yarı-iletken malzeme teorisine uygun olarak; PV panel tarafından üretilen akım ve voltaj, hücre (panel yüzey) sıcaklıklarının artışıyla düşmektedir [1]. Günün ilk saatlerinde daha yüksek ışınıma maruz kalan eğim açılı panelde, PV hücreler daha fonksiyonel çalışarak daha erken ısınmakta ve dolayısıyla güç çıktıları düşmektedir. Panel yüzey sıcaklığı değerine direkt etki eden parametrelerden biri çevre sıcaklığı olup, söz konusu saatlerde dinamik bir değişim sergilemektedir. Öğle saatlerinden itibaren çevre sıcaklığı, deney sonu anına (yerel saatle 15:30) kadar çok daha yavaş değişmekte ve ayrıca ışınım şiddeti seviyesinin de her iki panel için aşırı yükselmeleriyle, panel yüzey sıcaklıkları arasındaki fark kapanmaktadır. Örneğin, söz konusu sıcaklıklar öğle saatinde sırasıyla, 55.7 ûC ve 54.7 ûC olarak ölçülmüştür. Bu durumda her iki panel için, gelen ışınım şiddetlerindeki farka karşın, üretilen güçler birbirine yakındır. Şekil 6’daki grafik; PV panel güç karakteristikleri ile sistemle ilişkili bir çok parametre arasındaki doğrusal olmayan ilişkinin bir göstergesi olarak ta önem taşımaktadır. Çünkü, Şekil 6’da elde edilen trendin tesadüfü olmadığı, farklı kapsamdaki diğer deneylerimizde de (örneğin, Bknz: [6]) gözlenmiştir.
4. DEĞERLENDİRME VE ÖNERİLER
Bu çalışmada, eğim açısı ayarlanabilir bir düzenek dizayn edilmiş ve mevsimlik sabit eğim açısıyla yerleştirilmiş bir PV panel ile, aylık optimum eğim açısında yerleştirilmiş bir panelin güç karakteristikleri kıyaslanmıştır. Elde edilen sonuçlar, PV panellerin yıl ya da mevsim boyunca sabit eğim açılarıyla yerleştirilmeleri yerine, basit ve ekonomik bir düzenek yardımıyla ayda bir defa, o ayın optimum eğim açısına ayarlanarak kullanılmalarını destekler niteliktedir. Çünkü, bu çalışmada seçilen ay ve mevsim itibariyle eğim açıları arasında sadece 10û gibi küçük bir farkın olduğu iki panel arasında bile, optimum eğim açılı panel avantajını sergileyen sonuçlar elde edilmiştir. Yapılan hesaplamalarla, deney yerel zaman aralıkları olan saat 09:00-15:30 arasındaki 390 dakikalık süre boyunca, gelen toplam ışınım şiddetinde % 2.3, üretilen güçte ise % 3.4 bir artış sağlandığı gözlenmiştir. Bu artış miktarının eğim açısı farklarının arttığı dönemlerde (örneğin; Haziran ve Temmuz aylarında, amevs - aay =22 ûve ayıl - aay = 37û) çok daha yüksek olacağı göz önüne alınmalıdır. Ayrıca pratik uygulamalarda, bir panel yerine çok sayıda panel kullanılacağı düşünülürse, her bir panel için sağlanacak güç artışının, panel sayısı ile çarpımı sonucu önemli değerlere ulaşılacağı gerçeği göz ardı edilmemelidir.
SEMBOLLER
I Akım (A)
I* Boyutsuz akım değeri
Isc Kısa devre akımı (A)
G Işınım şiddeti (W/m2)
G* Boyutsuz ışınım şiddeti
P Güç (W)
P* Boyutsuz güç değeri
R Direnç değeri (ohm)
T Sıcaklık (ûC)
t Süre (dak)
V Voltaj (V)
V* Boyutsuz voltaj değeri
Voc Açık devre gerilimi (V)
X* Boyutsuz parametre
a Eğim açısı (û)
aay Optimum aylık eğim açısı (û)
amevs Optimum mevsimlik eğim açısı (û)
ayıl Optimum yıllık eğim açısı (û)
KAYNAKLAR
[1] Kou, Q., Kleın, A., Beckman, W., ‘ A method for estımatıng the long-term performance of direct-coupled pv pumping systems’, Solar Enery, 64, 33-40, (1998).
[2] Fıratoğlu, Z.A., Yesilata B. ‘ New approaches on the optimization of directly-coupled photovoltaic water-pumping systems ‘, Solar Energy, 77, 1, 81-93, (2004).
[3] Fıratoğlu, Z.A., Yesilata B. ‘ Direkt-akupleli fotovoltaik su pompası sistemlerinin çok aşamalı optimizasyonu’, Y.T.Ü. Sigma Dergisi’ne basım için sunuldu, (2004).
[4] Yeşilata B, Pıhtılı K, Ata F ‘Yoğunlaştıran güneş kollektörleri için güneş hareketini izleyen sistemler ve örnek bir uygulama.’ Mühendis ve Makina, cilt 35, sayı 390, sayfa 25-32 (1992).
[5] Duffie, J. A. and Beckman, W. A., Solar Engineering of Thermal Processes, John Wiley & Sons Inc., New York, (1991).
[6] Aydın, M., Yeşilata B., ‘PV Panel Güç Karakteristiklerinin Deneysel Yöntemle Belirlenmesi’, Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi’ne basım için sunuldu, (2004). y
Teşekkür
Bu çalışmaya maddi destek veren Harran Üniversitesi Bilimsel Araştırma Komisyonu’na (HÜBAK Proje No: 457) ve çeşitli seviyelerdeki katkılarından dolayı Yrd. Doç. Dr. Hüsamettin Bulut, Makina Mühendisleri M.Selim Üçgül ve Cüneyt Erdem ile Elektrik-Elektronik Mühendisi Hadi Süzer’e teşekkür ederiz.
Metin AYDIN - Bülent YEŞİLATA
Harran Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü