MEVcUT YAPILARA UYGULANAN FOTOVOLTAİK … · Güneş pillerinin yapıları da dikkate...

887

ANKARA - TURKIYE

Abstract

During the last decades, the developing in electricity rapidly has taken place and has evolvedin the leatest technology. The electricity has occuped significant place in the nowadays life of humanity. After the using the fosil fuels for the generation of electricity which has been produced by harming the environment. People thought that the electricity should minimize damage to the environment. To meet the seneccessity by returning to renewable energy sources. The simplest system that production of electricity from solar (photovoltaic systems) when the payment of wagesto the rawenergy sources is not expensive especially when renewable energy sources are the most prefer red because of personel expenses are not high during operation. Also more advantages are obtained because of the low main tenance cost due to the less devices. In this study, the world photovoltaic system integrated in to the existing structure has been investigated. Review the sesystems as a result of the inclinedroof, flat roof and wall applications collected were analyzedunder three headings of efficiency. Afyonkarahisar modeled inclined roofs has been chosenas sample to use and utilizing these applications. Toget the most efficient of the three different roofs technologies which has been chosen as good sample (monocrystalline, polycrystalline and thin film) was place das a solar panels. The power of solar panels is provided by mounting the sameside as selected and affected by the same sun lightre source. Developing the micro-controller control board and the C # software with production data of solar panels (voltage and power) was followed instantly Access the database from the computer and was recorded at 10-sec intervals. According to these data which are calculated

MEVcUT YAPILARA UYGULANAN FOTOVOLTAİK SİSTEMLERİN İNcELENMESİ: AFYONKARAHİSAR ÖRNEğİ

INVESTIGATION OF THE PHOTOVOLTAIC SYSTEMS APPLIED TO EXISTING BUILDINGS: THE cASE OF AFYONKARAHİSAR

Öğr.Gör. Abdil Karakana * ve Doç.Dr. Yüksel Oğuzb

a * Afyon Kocatepe Üniversitesi, Dazkırı Meslek Yüksekokulu, Elektrik Bölümü, Afyonkarahisar, Türkiye, [email protected] * Afyon Kocatepe Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, Afyonkarahisar, Türkiye, yukseloguz@

aku.edu.tr

Özet

Hızla gelişen teknolojiyle elektrik enerjisi, insanlığın hayatında vazgeçilmez bir yer almıştır. Elektrik enerjisi üretimi için fosil yakıtların kullanımı sonrası çevreye zarar verdiği anlaşılmıştır. İnsanlar elektrik enerjisi ihtiyacını karşılamak için çevreye en az zarar verecek yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelmişlerdir. Güneşten elektrik enerjisi üreten sistemler (fotovoltaik sistemler) ham enerji kaynağına ücret ödenmemesi, işletme sırasında personel giderlerinin az olması nedeniyle çok tercih edilir yenilenebilir enerji kaynaklarıdır. Ayrıca az parçası olması nedeniyle bakım giderlerinin düşük olmasında avantajları arasındadır. Bu çalışmada dünya üzerinde mevcut yapılara entegre edilmiş fotovoltaik sistemler incelenmiştir. İncelemeler sonucunda bu sistemler eğik çatı, düz çatı ve cephe uygulamaları olarak üç başlık altında toplanarak verimliliklerinin analizi yapılmıştır. Bu uygulamaların en verimlisi olan eğik çatı uygulaması örnek alınarak Afyonkarahisar’da üç farklı teknolojiden faydalanılarak yapılmış (monokristal, polikristal ve ince film) güneş panelleri yerleştirilmiştir. Güneş panellerinin güçleri aynı seçilmiş ve yan yana montaj edilerek aynı güneş ışığına maruz kalmaları sağlanmıştır. Yapılan mikro-denetleyici kontrol kartı ve C# yazılımı ile güneş panellerinin üretim verileri (gerilim ve güç) anlık olarak bilgisayardan izlenmiş ve 10 sn aralıklarla access veri tabanına kayıt yapılmıştır. Bu veriler kullanılarak daha sonra güneş panellerinin verimlikleri hesaplanmış ve dünya örnekleri ile karşılaştırma yapılmıştır.

Anahtar kelimeler: Fotovoltaik Sistemler, Verimlilik Analizi, Fotovoltaik Panel Çeşitleri

888

2nd International Sustainable Buildings Symposium

edilmiştir.

2. Güneş ve Güneş Enerjisi

Güneş dünyadan ortalama 149,6 milyon km uzaklıkta, 1.392x108 km çapında ve 1,99x1030 kg kütlesindedir [7]. Güneşin yüzey sıcaklığı 6000 oK iç bölgelerde ise sıcaklığın 8x106 oK ile 40x106

oK arasında değiştiği tahmin edilmektedir [8]. Güneş sonsuz bir enerji kaynağı olup dünyadaki bütün enerjilerin kaynağıdır. Güneşten dünyaya gelen yıllık enerji miktarı, dünyanın yıllık enerji miktarının yaklaşık olarak 16.000 katıdır [7]. Dünyadaki kurulu olan tüm enerji santrallerinin gücü güneşten dünyaya gelen gücün çok altındadır. Güneşten gelen güç dünyada kurulu olan nükleer santrallerin ürettiği toplam gücün 527.000 katıdır [9]. Güneşin, dünya atmosferinin dışındaki enerjisi olarak sabit olmakla birlikte yaklaşık 1370 W/m2’dir[10]. Bu değer yeryüzünün farklı bölgelerinde güneşin geliş açısı, gölgelenme ve güneşe uzaklığına bağlı olarak 0-1100 W/m2 arasında farklı değerler almaktadır [11]. Bu enerjinin küçük bir kısmı bile, insanlığın şuan kullanmış olduğu enerji kaynaklarından daha fazladır [10].

Güneş enerjisinden günümüzde iki türlü yararlanılmaktadır. Birincisi, konutların ve iş yerlerinin enerji ihtiyacının giderilmesi için elektrik enerjisi üretiminde. İkincisi de, güneş enerjisi ısı enerjisine dönüştürülerek yararlanılmaktadır [12].

2.1. Dünyada Güneş Enerjisi

Güneş enerjisinin çok etkili olduğu bölgeler; güneş ışınlarının yıl içinde en uzun süre ve en iyi açıyla gelen ekvator bölgesidir. Bu bölge güneş ışınlarından faydalanılarak elektrik enerjisi üretimi için en ideal bölgedir. Ekvatordan kuzeye doğru gidildikçe güneş ışığının geliş açısının düşmesi sebebiyle bu bölgelerdeki güneş enerjisi daha düşük seviyelerdedir. Bu bölgeler güneş enerjisi sistemleri için elverişli değildir. Ama güneşten elektrik enerji üretim sistemleri için güneş ışınlarının dik olarak gelmesi şart değildir. Güneş ışınları ne kadar dik ve uzun süre gelirse sistemin verimi artmaktadır. Güneş enerjinin dünya üzerindeki dağılımı Şekil 1’de görünmektedir.

Şekil 1. Güneş enerjinin dünya üzerindeki dağılımı [13].

using the efficiency of the solar panels were compared with same applications in most of places of the world.

Keywords: Photovoltaic Systems in Residential, Productivity Analysis, Photovoltaic Types Productivity

1. Giriş

Fotovoltaik sistemler (PV) ilk olarak 1893 yılında Becquerel tarafından, elektrolit içine daldırılmış elektrotlar arasındaki gerilimin, elektrolit üzerine düşen ışığa bağımlı olduğunu gözlemleyerek bulunmuştur [1]. Fotovoltaik sistemlerin bulunmasının bu kadar geçmişi olmasına rağmen kullanımı son çeyrek asırda hızlı bir artış göstermiştir. 1970’li yıllarda yaşanan büyük petrol krizi sonucu enerji maliyetleri yüksek oranda artmıştır. Ayrıca fosil yakıtlar kullanılarak elektrik enerjisi üretimi sonucunda çevre kirliliği, mevsimsel değişiklikler ve küresel ısınma gibi çevresel felaketlere yol açtığı anlaşılmıştır. İnsanoğlu bu nedenlerden dolayı yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelmiştir.

Güneş enerjisi, enerji potansiyelinin çok yüksek olması ve ham enerji kaynağının ücretsiz olması nedeniyle en çok kullanılan yenilenebilir enerji kaynakları arasındadır. Fotovoltaik sistemlerin son çeyrek asırda kullanımının artmasının nedeni; fotovoltaik sistemlerinin ana yapısını oluşturan yarı-iletken malzemenin üretim teknolojisinde meydana gelen gelişmedir [2]. Bu gelişmeler doğrultusunda günümüzde PV sistemler, uzun yıllar öncesine kıyasla daha düşük maliyet ve çok daha yüksek verimler çalışabilmektedir [3,4]. PV hücrelerin maliyetleri 1974 yılında yaklaşık 200$/Watt iken 2000’ li yıllarda bu değer 2$/Watt seviyelerine düşmüş ve hale bu değer düşmektedir. İlk üretildiği yıllarda PV modüller sadece küçük pil hücrelerinin birleşimi ile oluşmaktaydı. Bugün ise günümüz teknolojisi ile birlikte tek parça olarak üretilmekte ve yaklaşık otuz yıl bakım gerektirmeksizin kullanılabilmektedir. Uzun ömürleri sayesinde panellerin kullanılan yılbaşına düşün maliyetleri düşük seviyelerde kalmaktadır [5,6].

Yapılan çalışmada dünyada mevcut binalarda kullanılan fotovoltaik sistemler eğik çatı, düz çatı ve düz cephe sistemler olarak üç başlık altında incelenmiştir. İncelemeler sonucu en yüksek verim eğik çatı sistemlerinde olduğu anlaşılmıştır. Afyon Kocatepe Üniversitesi Teknoloji Fakültesi çatısına piyasada en çok kullanılan monokristal, polikristal ve ince film güneş panelleri eğik çatı uygulaması doğrultusunda yan yana montajı yapılmıştır. Mono-kristal, poli-kristal ve ince film güneş panellerinin elektrik enerjisi üretimleri (volt-watt) anlık olarak incelenmiştir. C# programı ile yapılan arayüz ile bütün veriler bilgisayar ekranında görüntüle imkânı sunulmuştur. Ayrıca güneş panellerinin hangisinin bu bölge için daha verimli olduğunun anlaşılması için otomatik kaydetme ve manuel kaydetme sekmeleri eklenmiştir. Otomatik kaydetme ile istenilen zaman aralığında bütün veriler access veri tabanına kaydetme yapılmıştır. Bu çalışmada 10sn zaman aralığı tercih

889

28 - 30th May 2015 | Ankara - TURKIYE

oluşur. Genellikle yarı iletken olarak silikon kullanılmaktadır. Tek güneş pilinden elde edilen elektrik enerjisi miktarı düşük olmaktadır. Daha fazla enerji elde etmek için birden fazla güneş pilinin bir araya getirilmesi ile güneş panelleri, panellerin birlikte kullanımı ve diğer bileşenlerin eklenmesi ile de güneş paneli sistemleri ya da güneş tarlaları oluşturulur [16]. Şekil 4’de güneş pili, güneş modülü, güneş paneli görünmektedir.

Şekil 4. Güneş pili, güneş modülü.

3.2. Fotovoltaik Paneller

Fotovoltaik paneller, güneş pillerinin bir araya getirilmesiyle oluşur. Bir güneş pilinin sağladığı gerilim değeri yaklaşık 0,5V civarındadır. Normal 12V akülerin şarj edilebilmesi için 14-18V aralığında gerilime ihtiyaç duymaktadır. Bu sebepten dolayı bir fotovoltaik panel yaklaşık 36 tane güneş pilinin bir araya gelmesiyle oluşur. Bu değer yüke ve akünün şarj gerilimine göre değişiklikler göstermektedir. Fotovoltaik paneller dış ortamlarda kullanılmakta ve her türlü etkiye maruz kalmaktadır. Güneş pillerinin yapıları da dikkate alındığında güneş pilleri bir araya getirilirken, dış etmenlerin, pillere ve bağlantılara etkisi en aza indirecek bir şekilde yapılması gerekmektedir. Ayrıca fotovoltaik panel oluşturulurken diğer bir etmende güneş pillerini korumak için kullanılacak olan ön saydam malzemenin güneş ışınını en az seviyede yansıtan malzemeden olması gerekmektedir. Böylelikle güneş pilleri daha çok güneş ışınına maruz kaldıklarından daha verimli çalışabileceklerdir [16]. Şekil 5’de güneş pillerinin çalışma prensibi görünmektedir.

Şekil 5. Güneş pili çalışma prensibi.

3.3. Fotovoltaik Panel Çeşitleri

Fotovoltaik piller; kristal silikon piller, ince film pil, amorf silikon piller, bakır indiyum diselenit pil ve diğer piller olmak üzere beş guruba ayrılır.

2.2. Türkiye’de Güneş Enerjisi Potansiyeli

Ülkemiz, coğrafi konum nedeniyle güneş enerjisi potansiyeli bakımından birçok ülkeye göre şanslı durumdadır. Enerji İşleri Enstitüsü tarafından yapılan çalışmaya göre Türkiye’nin yıllık toplam güneşlenme süresi 2640 saat, günlük 7,2 saat, ortalama toplam ışınım şiddeti 1311 kWh/m2-yıl ve günlük ise 3,6 kWh’dir. Şekil 2’de Türkiye’nin güneşlenme haritası görünmektedir.

Şekil 2. Türkiye’nin güneşlenme haritası [14].

2.3. Afyonkarahisar’ın Güneş Enerjisi Potansiyeli

Ülkemizin güneş enerjisi potansiyeli incelendiğinde birçok ilimizin güneş enerjisi potansiyeli bakımından şanslı olduğu görünmektedir. Afyonkarahisar’da bu iller arasında yer almaktadır. Afyonkarahisar ilinin en az güneşlenme süresi Aralık ayında 3,74 saat iken en çok Temmuz ayında 11,36 saattir. Şekil 3’de Afyonkarahisar’ın güneş enerjisi potansiyeli görünmektedir.

Şekil 3. Afyonkarahisar’ın güneş enerjisi potansiyeli [15].

3. Güneş Pilleri ve Fotovoltaik Sistemler

Fotovoltaik, fotonlar tarafından aydınlatılan özel yarı iletken düzeneklerinden doğrudan elektrik enerjisi üretebilen teknolojiye verilen addır. Fotovoltaik teknoloji ile güneş enerjisinden, doğrudan elektrik elde edilmesi için tasarlanan düzenekler güneş pili olarak adlandırılır. Günümüzde güneş pillerinin geniş kullanım alanları mevcuttur [16].

3.1. Güneş Pilleri

Güneş pili, fotovoltaik etki ile güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine çeviren düzeneğe verilen isimdir. Tipik bir güneş pili, iki yada daha fazla ince yarı iletken katmandan

890


engelleyici cam varsa mavi renkte görünmektedir, yansımayı engelleyici cam yoksa gümüş rengindedir [20]. Şekil 7’de poli-kristal silikon güneş pili gösterilmektedir.

Şekil 7. Poli-kristal silikon güneş pili.

3.3.2. İnce Film Piller

İnce film güneş pilleri; üzerine düşen güneş ışınlarını kullanma özelliği iyi olan maddeler kullanılarak daha az kalınlıkta yapılırlar. Örnek verilirse; amorf silisyum güneş pillerinin absorbsiyon katsayısı kristal güneş pilleri katsayısından daha fazladır. Dalga boyu katsayısı 0,7 mikrondan daha az olan bir bölgedeki güneş radyasyonunu emmek için 1000 mikron kalınlığında amorf silisyum gerekli iken, kristal silisyum ile aynı radyasyonu emmek için 5000 mikron kalınlıkta malzeme kullanılması gerekmektedir [21]. Şekil 8’de ince film güneş pili gösterilmektedir.

Şekil 8. İnce film güneş pili.

3.3.3. Amorf Silikon Piller

Amorf silikon güneş pillerin silikonları çok ince tabakalardan oluşmaktadır. Bu pilleri oluşturmak içi gerekli ısı, kristal silikonlar piller için gerekli ısıdan çok daha düşüktür. Bundan dolayı amorf silikon hücreleri üretmek çok daha ucuzdur. Laboratuar ortamında bu pillerin verimlilikleri % 10 civarında iken piyasada kullanılan pillerde bu verimlilik %5 ile %7 arasında değişmektedir. Bundan dolayı bu piller enerji ihtiyacının çok fazla olmadığı yerlerde tercih edilirler. Günümüzde en çok küçük elektronik cihazların güç kaynağında kullanılırlar. En önemli kullanım alanı ise binalarda entegre olarak yarı saydam cam yüzeylerde, binanın dış cephelerinde kullanılırlar. Maliyetleri düşük olmasına karşın verimlilikleri de düşüktür [22].

3.3.4. Bakır İndiyum Diselenit Piller

Periyodik tablonun birinci, üçüncü ve altıncı gruptan elementlerin en az üçünün bir araya gelmesi ile oluşan bu bileşik yarı iletkenlerin soğurma katsayıları oldukça yüksek olup, yasak enerji aralıkları güneşin spekturumu ile ideal bir şekilde

3.3.1. Kristal Silikon Piller

Kristal silikon yapılı pillerin en önemli hammaddesi silisyumdur. Silisyum oksijenden sonra doğada en çok bulunan elementtir. Doğada bulunan silisyum saf halde değildir. Silisyum güneş pillerinin yapısında kullanılabilmesi için saflaştırılması gerekmektedir. Saflaştırma işleminin yapılması için, silisyumdioksit (SiO2) bileşiğinin yüksek sıcaklıkta ısıl işlem uygulanarak bileşiklerinden ayrılması gerekmektedir [17]. Silisyumun bu kadar işleme tutulup saflaştırılmasının sebebi; silisyum atomunun optik, yapısal ve elektriksel özelliklerinin uzun süre 20-30 yıl değişmemesidir. Bu nedenlerden dolayı silisyum güneş pili üretiminde en çok kullanılan elementtir [18]. Kristal silikon güneş pilleri; mono-kristal ve poli-kristal pil olmak üzere ikiye ayrılır.

3.3.1.1. Mono-Kristal Silikon Piller

Mono-kristal silikon piller güneş pili üretim teknikleri arasında en eski ve en pahalı yöntemdir. Buna rağmen günümüzde en yüksek verimlilik değerine sahiptir. Piyasada mevcut mono-kristal silikon pillerin verimlikleri %15-%18 arasında değişiklik gözlenmektedir [19]. Bu değer güneş pilinin kullanım yerine, maruz kaldığı güneş ışınlarının açısı ve değerine göre değişiklik göstermektedir. Şekil 6’da mono-kristal silikon güneş pili gösterilmektedir.

Şekil 6. Mono-kristal silikon güneş pili.

3.3.1.2. Poli-Kristal Silikon Piller

Poli-kristal silisyum üretimde kullanılan yöntem mono-kristal silisyum yöntemine benzemektedir [18]. Poli-kristal yapılı silisyum eriyik haldeki yarı iletken silisyumun kalıplarda soğutulması ile elde edilir. Soğuyan yarı iletken, monokristal güneş pili yapımında olduğu gibi dairesel, dikdörtgen veya çokgen olacak şekilde ve kalınlığı 0,2-0,3mm kalınlıklarında dilimlenmektedir. Daha sonra yarı iletken malzemeler bir araya getirilerek bağlantılar yapılır ve birbirlerine ayrılmayacak şekilde özel yapıştırıcılar ile tutturulur. En son işlem olarak ta yansıma önleyici cam tabaka yapıştırılarak güneş pili oluşturulur. Poli-kristal silisyum üretiminde Czochralsi yöntemi veya başka bir saflaştırma yöntemi kullanılmadığından oluşan poli-kristal silisyumlar homojen değildir [18]. Bundan dolayı poli-kristal güneş pillerinin verimlilikleri mono-kristal güneş pillerine göre daha düşüktür. Poli-kristal silisyumun yapımında kolay olmasından dolayı fiyatları mono-kristal güneş pillerine göre daha düşüktür. Poli-kristal güneş pillerinde yansımayı

891


Şekil 11. On-grid sistemin genel şematik çizimi.

3.4.3. Hibrit Sistemler

Fotovoltaik panellere ek olarak bir ya da birden fazla elektrik üretim sistemin birleşimi sonucu oluşan sistemlere hibrit sistemler denir. Hibrit sistemlerde ilk enerji üreticisi fotovoltaik panellerdir. İkincil veya daha sonra ki enerji kaynağı yenilenebilir enerji kaynaklarından rüzgâr enerjisi olabileceği gibi dizel jeneratörler ve şebeke de olabilir [25]. Şekil 12’de hibrit sistemin genel şematik çizimi gösterilmiştir.

Şekil 12. Hibrit enerji üretim sisteminin genel şematik çizimi.

4. Fotovoltaik Panellerin Mimaride Kullanımı

Fotovoltaik paneller mimaride yapının bir çok farklı bölümüne entegre edilebilir. Fotovoltaik paneller binaya yapım aşamasında montaj yapılacağı gibi mevcut olan bir yapıya daha sonrada eklenebilir. Fotovoltaik panellerin binaya uygulanması panelin cinsine ve uygulanma şekline göre değişiklik göstermektedir. Fotovoltaik paneller çerçeve sistem veya yapıştırma olarak binaya uygulanmaktadır. Çerçeve sistemlerde fotovoltaik panel alüminyum bir çerçevenin içine alınarak binaya monte edilmektedir. Yapıştırma sistemi ise İnce film panellerde uygulanmaktadır.

Fotovoltaik panellerin en yüksek verimlilikte çalışabilmesi için güneş ışınlarını en dik ve en uzun sürede alabilecek şekilde binaya montajı yapılması gerekmektedir. Fotovoltaik panel uygulaması yapılan bina kuzey yarım kürede ise paneller güneye, güney yarım küredeyse kuzeye bakmalıdır [11].

Fotovoltaik paneller binalarda eğik çatı, düz çatı ve cephede olmak üzere üç çeşit uygulamada yapılmaktadır.

4.1 Eğik Çatı Fotovoltaik Uygulamaları

Eğik çatıda fotovoltaik sistemin uygulanabilmesi için; çatının uygulama yapılabilmesi için müsait olması ve sistemin yükünün taşıyabilecek güçte olması gerekmektedir. Fotovoltaik sistemin verimliliğini arttırmak için uygulama çatının güneş gören tarafına yapılır.

uyuşacak biçimde ayarlanabilir. Bakır, indiyum ve selenyumdan yapılan üçlü bileşik (CuInSe) yarı iletkenle başlayan bu grup CIS güneş pilleri olarak anılır. Laboratuar ortamında en yüksek %20 verim seviyelerine ulaşılmıştır. 900cm2 yüzey alana sahip modüllerin verimlikleri %15 civarındadır [23].

3.4. Fotovoltaik Sistemler

Fotovoltaik sistemi, istenilen akım ve gerilimi sağlayacak adette fotovoltaik panelin ve tamamlayıcı malzemelerin bir araya getirilmesi ile oluşmaktadır. Şekil 9’da fotovoltaik sistemin temel çalışma prensibi gösterilmiştir. Fotovoltaik sistemler açık hava kullanımı için üretilmişlerdir. Bundan dolayı deniz şartlarına tropikal şartlara ve çöl şartlarına dayanıklıdır.Şekil 9’da fotovoltaik sistemin temel çalışma prensibi gösterilmektedir.

Şekil 9. Fotovoltaik sistemin temel çalışma prensibi [21].

Fotovoltaik enerji sistemleri şebekeden bağımsız (off-grid) ve şebekeye bağlı (on-grid) sistemler olarak ikiye ayrılmaktadır.

3.4.1. Off-Grid Sistemler

Elektrik dağıtım şebekelerinden bağımsız olarak çalışan sistemlerdir. Bu tip sistemlerde üretilen enerji, akü gruplarında depo edilmekte ve bu depo edilen enerji inverterler vasıtasıyla şebeke gerilimine dönüştürülmektedir. Şekil 10’da off-grid sistemin genel şematik çizimi gösterilmiştir [21].

Şekil 10. Off-grid sistemin genel şematik çizimi.

3.4.2. On-Grid Sistemler

Elektrik dağıtım şebekelerinin aktif olduğu ve şebeke ile karşılıklı elektrik enerjisi alış veriş imkânı sağlayan sistemlere denir. On-grid sistemlerde çift yönlü sayaçlar vardır. Böylelikle fazla üretilen enerji şebekeye verilmekte, elektrik enerjisi ihtiyacı olduğunda da şebekeden alınmaktadır. Şekil 11’de on-grid sistemin genel şematik çizimi gösterilmiştir [24].

892


Şekil 15. Panelin genel görünüşü [29].

4.1.4. Belfast Sosyal Konutları, Kuzey İrlanda

Kuzey İrlanda’da 3 bloktan oluşan sitede 2003 yılında sonradan montajı yapılmıştır. Binanın çatısı panellerin yükünü kaldıramayacağından tekrar yapılmıştır. Sistemin kurulu gücü 51 kW olup yıllık üretimi 36000 kWh’dir. Sistemde tek kristalli silisyum panel kullanılmıştır [26]. Şekil 16’da montajı yapılan panelin genel görünüşü görünmektedir.


4.2 Düz Çatı Fotovoltaik Uygulamaları

Çatının olmadığı binalarda bir mekanizma yerleştirilerek fotovoltaik sistemin güneş ışınlarını daha dik ve uzun süre alması sağlanır. Böylelikle sistemin verimliliği arttırılır.

4.2.1. OPHLM Montreil Apartmanı, Fransa

Fransa’nın Paris kentinde bulunan apartmanın düz çatısına 2002 yılında montajı yapılmıştır. Sistemde 200 adet toplam 220 metrekare yüzey alnına sahip çok kristalli silisyum paneller kullanılmıştır. Kurulu güç 22 kW olup yıllık üretim 22500 kWh’dir. Sistem çatıya kutu profiller üzerine makas sistemi kullanılarak monte edilmiştir [26]. Şekil 17’de montajı yapılan panelin genel görünüşü görünmektedir.


4.1.1. MFH Amsterdam Sokağı

Almanya’nın Köln kentinde bulunan apartmanın çatısının eğimine göre monte edilen bir fotovoltaik panel sistem uygulamasıdır. Sistem mevcut binaya 2005 yılında sonradan ve çerçeve sistem olarak entegre edilmiştir. Sistem çok kristalli silisyum panellerden oluşmakla birlikte toplam gücü 27 kW olup yıllık üretimleri 25000 kWh’dir [26]. Şekil 13’de montajı yapılan panelin genel görünüşü görünmektedir.


4.1.2. Gröding Huzurevi, Avusturya

Avusturya’da 102 daireden oluşan sosyal evlerin eğik çatısına 2003 yılında uygulanmıştır. Uygulanan sistemin gücü 30 kW’dir. Çerçeveli sistem olarak uygulanan sistemde çok kristalli silisyum paneller kullanılmıştır. Panellerin yıllık üretimleri 27 000 kWh olarak ölçülmüştür [26]. Şekil 14’de montajı yapılan panelin genel görünüşü görünmektedir.


4.1.3. Energossa Villası, Almanya

Almanya’nın Freburg kentinde 2006 yılında villanın eğik çatısı üzerine sonradan entegre edilmiştir. Sistemin kurulu gücü 11 kw olup yıllık üretimi 10300 kWh’dir. Paneller çerçeve sistem olarak villanın güney cephesine uygulanmıştır. Sistemde çok kristalli silisyum paneller tercih edilmiştir [26]. Şekil 15’de montajı yapılan panelin genel görünüşü görünmektedir.

893


kW olup yıllık üretimi 59050 kWh’dır [26]. Şekil 20’da montajı yapılan panelin genel görünüşü görünmektedir.


4.3.2. Wilmersdorfer Sokağı, Almanya

Almanya’da 2001 yılında apartmanın güney cephesinin uygulanmıştır. Sistemde toplam 230 metre kare yüzey alanına sahip çok kristalli silisyum panelleri kullanılmıştır. Binada enerji kaybını azaltmak için izolasyon kullanılmış ve balkonlar cam ile kaplanmıştır. Sistemin kurulu gücü 51 kW olup yıllık üretimi 29195 kWh’tir [26]. Şekil 21’de montajı yapılan panelin genel görünüşü görünmektedir.


5. Materyal Ve Yöntem

Dünya üzerindeki fotovoltaik panelleri incelendiğinde en iyi sonuçların eğik çatı üzerine yapılmış sistemler almaktadır. Gerçekleştirilen çalışmada bu göz önüne alınarak Afyon Kocatepe Üniversitesi Teknoloji Fakültesi çatısına güneş ışınlarını en iyi alabilecek şekilde eğik olarak yerleştirilmiştir. Çatıda izolasyon kaplaması olduğu için paneller duvara montaj edilmiş ve kurulu olan sistem Şekil 22’de görünmektedir. Sistemde monokirstal, polikristal ve ince film paneller kullanıldı. Panel güçleri aynı seçilmiş ve güneş ışınlarını aynı alması için yan yana montajı yapılmıştır.

4.2.2. Hazama-su Konutları, Japonya

Japonyanın 4. büyük kenti olan Nagoya kentinde bulunan 8 adet binanın çatısına 2000 yılında entegre edilmiştir. Sistemden elde edilen elektrik binaların ortak alan giderlerinde hollerde ve asansörlerde kullanılmıştır. Sistemin çok kiristalli silisyum paneller kullanılmış olup, sistemin kurulu gücü 203 kW olup yıllık üretimi 214996 kWh’dır [26]. Şekil 18’de montajı yapılan panelin genel görünüşü görünmektedir.


4.2.3. Huvudsta, İsveç

İsveç’te 1984 yılında kurulan sistem ülkenin en eski sistemidir. Sistem güney-güney doğuya bakacak şekilde binanın çatısına montaj edilmiştir. Sistem kullanılan bağlantıların nemlenmesi ve inverter teknoloji eski olması nedeniyle bağlantılar ve inveter değiştikten sonra verim %70 oranında artmıştır. Sistemin çok kristalli silisyum paneller kullanılmış olup, sistemin kurulu gücü 2,1 kW olup yıllık üretimi 1750 kWh’dır [26]. Şekil 19’da montajı yapılan panelin genel görünüşü görünmektedir.


4.3 Çephede Fotovoltaik Uygulamaları

Çatının olmadığı ve binanın güneşe bakan tarafının müsait olduğu durumlarda kullanılır. Bu uygulama ile elektrik enerjisi üretilirken aynı anda binaya estetik bir görünüş kazanılmıştır.

4.3.1. La Darnaise, Fransa

Fransa’nın Lyon kentinde 1960 yılında yapılan 11 adet binaya 2005 yılında fotovoltaik paneller entegre edilmiştir. Binaların çatısında güneş kolektörleri olması nedeniyle binanın güney doğuya bakan cephesi tercih edilmiştir. Sistemin çok kiristalli silisyum paneller kullanılmış olup, sistemin kurulu gücü 92

894


5.3. Mikro-denetleyici, USB ve Sensör Kartı

Gerilim ve akım sensörlerinden gelen analog verileri digital veriye dönüştürmek ve bu verileri bilgisayara göndermek için PIC18F4550 mikro denetleyici kullanılmıştır. Şekil 25’de tasarlanan ve uygulaması yapılan mikro-denetleyici, USB ve sensör kartı görülmektedir.

Şekil 25. Mikro-denetleyici, USB ve sensör kartı

5.4. Bilgisayar Arayüzü

Mikro-denetleyiciden gelen digital verileri bilgisayar ekranın görüntülemek için C# programı ile hazırlanmış olan ara yüz Şekil 26’da görünmektedir. Güneş panellerinin elektriksel verileri ve güç ölçümlerini anlık olarak ekranda gösterilmiştir. İstenilmesi halinde ölçülen verileri veri tabanına el ile veya ayarlanan zaman aralıklarında kaydedilmesi yapılabilmektedir. Gerçekleştirilen uygulamada güneş panellerinden elde edilen veriler 10 saniye aralıklar ile kaydedilmiştir. Yapılan bu ölçümlerde çevresel hataları en aza indirmek için güneş panellerinin güçleri, bağlantı aparatları ve kablo uzunlukları aynı seçilmiştir.

Şekil 22. Üç farklı güneş panelin görünüşü.

5.1. Gerilim Sensörü

Mono-kristal, poli-kristal ve ince film güneş panellerinin ürettikleri gerilimi ölçmek ve bilgisayara aktarmak için PIC mikro denetleyicisi kullanılmıştır. Bu mikro denetleyicisi yapısal olarak 0V ile 5V arasındaki gerilim değerlerini ölçebilmektedir. Bu nedenle Şekil 23’de görülen gerilim bölücü devre, güneş panellerinin ürettikleri gerilimleri mikro denetleyicinin ölçebileceği sınırlara indirgemek için kullanılmıştır.

Güneş panelinin uçlarına 10KΩ ve 470Ω olmak üzere iki adet seri direnç bağlanmıştır. 470Ω üzerine düşen gerilim mikro-denetleyicinin giriş ucuna uygulanmıştır. Böylelikle güneş panellerinde üretilen gerilim aşağıdaki formülde verilen oranda indirgenmiş hali mikro denetleyici karta uygulanmıştır.

Şekil 23. Gerilim bölücü devre

5.2. Akım Sensörü

Güneş panellerinden çekilen akımın ölçülmesi için LEM LA-55P akım sensörü kullanılmıştır. Bu akım sensörü sayesinde 50 ampere kadar ölçüm yapılabilmektedir. Dönüşüm oranı 1:2000dir. Şekil 24’de LEM LA 55-P akım sensörü görünmektedir.

Şekil 24. LEM LA 55-P akım sensörü

895


Şekil 28. Fotovoltaik panellerde üretilen güç (akım) grafiği (İF_İnce Fil Güneş Paneli, MK_Monokristal Güneş Paneli

ve PK_Polikristal Güneş Paneli)

Güneş panellerinin bir günlük toplam üretimleri (Wh) Şekil 29’da gösterilmiştir. Şekil 30’de ise bu üretimlerini yüzdelik olarak karşılaştırmalı grafiği verilmiştir.

Şekil 28. Fotovoltaik panellerde bir günde üretilen güç (Wh) grafiği

6. BULGULAR

Afyon Kocatepe Üniversitesi Teknoloji Fakültesinin çatısında kurulu olan monokristal, polikristal ve ince film güneş panellerinden oluşan sistemde 01/10/2014 tarihinde güneşin doğduğu ve battığı saatleri arasında üç farklı güneş panelinin üretmiş olduğu gerilimleri volt olarak Şekil 27’de güç değerleri waat olarak Şekil 28’de ise gösterilmiştir.

Şekil 27. Güneş panellerinin gerilim (volt) değerleri. (İF_İnce Fil Güneş Paneli, MK_Monokristal Güneş Paneli ve

PK_Polikristal Güneş Paneli)

Şekil 26. C# ile hazırlanmış program ara yüzü

896


Kaynaklar[1]. Erkul, A., “Monokristal, Polikristal ve Amorf-Silisyum Güneş

Panellerinin Verimliliğinin İncelenmesi ve Aydınlatma Sistemi Uygulaması”, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, Türkiye, (2010). (Danışman: M.C. Taplamacıoğlu).

[2]. Kıyanciçek. E., “Fotovoltaik Sistemlerin Boyutlandırılması İçin PSV2 Paket Programının Gerçekleştirilmesi” Yüksek Lisans Tezi, Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı, Konya, Türkiye, (2013). (Danışman: A. A. Kulaksız).

[3]. Özsoy.,M.F., ”Hibrit Rüzgar-Güneş Enerji Üretim Sistemi İle Bir Elektrik Laboratuarının Genel Aydınlatma Tasarımı” Yüksek Lisans Tezi, Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Elektrik Eğitimi Anabilim Dalı, Afyonkarahisar, Türkiye, (2011). (Danışman: Y. Oğuz).

[4]. Abdelkader, M. R., Al-Salaymeh A., Al-Hamamre, Z. And Sharaf F.” A Comparative Analysis Of The Performance Of Monocrystalline and Multiycrystalline PV Cells In Semi Arid Climate Conditions: The Case Of Jordan “, Jordan Journal Of Mechanical And Industrial Engineering, Volume 4 Number 5, Pages 543-552, 2010.

[5]. Ghazali, A., Rahman, A.M. “ The Performance Of Three Different Solar Panels For Solar Electricity Applying Solar Tracking Device Under The Malaysian Climate Condition “ Energy And Environment Research, Volume 2 Number 1, Pages 235-243, 2012.

[6]. Bergmann, R.B., Berge, C., Rinke, T.J., Schmidt, J., Werner, J.H. . “Advances In Monocrystalline Si Thin Film Solar Cells By Layer Transfer “Solar Energy Materials &Solar Cells, Volume 74 Issues 1-4, Pages 213-218, 2002.

[7]. Erkınay, P. U. “Yenilenebilir Enerji Kaynaklarından Rüzgâr Enerjisinin Binalarda Kullanımı Üzerine Bir İnceleme”, Yüksek Lisans Tezi, Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Mimarlık Anabilim Dalı, Adana, Türkiye, (2012). (Danışman: İ. Yeğingil).

[8]. Koryürek, E. “Fotovoltaik Sistemlerin Binalarda Kullanımı”, Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Makina Anabilim Dalı, İstanbul, Türkiye, (2008). (Danışman: S. H. Sevilgen).

[9]. http://web.boun.edu.tr/meteroloji/yenerji.php (Erişim Tarihi: 6 Şubat 2015)

[10]. Yıldırım, T., “Güneş ve Rüzgar Enerjisi Veri Toplama Sisteminin Geliştirilmesi“ Yüksek Lisans Tezi, Hacettepe Üniversitesi Fen Bilimleri, Temiz Tükenmez Enerjiler Anabilim Dalı, Ankara, Türkiye, (2008). (Danışman: Y. Kaplan).

[11]. Varınca, K. B., “Türkiye’de Güneş Enerjisi Potansiyeli ve Bu Potansiyelin Kullanım Derecesi, Yöntemi ve Yaygınlığı Üzerine Bir Araştırma“ I. Ulusal Güneş ve Hidrojen Enerjisi Kongresi. Eskişehir, Türkiye, 270-275 (2006)

[12]. Altın, M., “Yeni Yapı Malzemesi Fotovoltaik Paneller, Özellikleri ve Tarihçesi” 2. Ulusal Yapı Malzemesi Kongresi ve Sergisi, (2012)

[13]. http://www.gridovate.com/wp-content/uploads/2012/04/DLR-Global-Map-of-Solar-Radiation.jpg (Erişim Tarihi: 5 Ocak 2015)

[14]. http://www.eie.gov.tr/MyCalculator/Default.aspx (Erişim Tarihi: 5 Ocak 2015)

[15]. http://www.eie.gov.tr/MyCalculator/pages/3.aspx (Erişim Tarihi: 5 Ocak 2015)

[16]. Çolak., S.Ç., “Fotovoltaik Paneller Yardımı İle Güneş Enerjisinden Elektrik Enerjisi Üretiminin Maliyet Analizi Ve Gelecekteki Projeksiyonu“ Yüksek Lisans Tezi Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 2010

[17]. Upadhyaya. A.,Yelundur. V.,Rohatg. A.,”High Efficiency Mono-Crystalline Solar CellsWith Simple ManufacturableTechnology” Gerorgia Institute of Technology, 2006

[18]. Muntasser, M.A. , Bara, M.F.,Quadri , H.A., EL Tarabelsi, R. ve La-azeb,, I.F., “Photovoltaics marketing İn DevelopingCountries”, AppliedEnergy, Cilt 65, Sayfa 67-72, 2000

[19]. Yumurtacı, Z.,Dönmez, A.H., “Konutlarda Enerji Verimliliği” Mühendis Ve Makine Dergisi, Cilt 54 Sayı 637 Sayfa 38-43, 2013

[20]. Mete Ç.,Metin Ç., “Gökçeada’da Şebekeden Bağımsız Bir Fotovoltaik Güç Sistemi Benzetimi Ve Karşılaştırmalı Gerçek Performans İncelemesi” Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, Cilt 19, Sayı 5, Sayfalar 201-208, 2013

[21]. K. Başaran, K.,Çetin, N.S, Çelik, H. “Rüzgar-Güneş Hibrit Güç Sistemi Tasarımı Ve Uygulaması” 6. International Advanced Technologies Symposium (IATS’11), Sayfa 114-119, 2011

Şekil 30. Fotovoltaik panellerde bir günde üretilen güç (Wh) yüzdelik olarak karşılaştırma grafiği

Yukarıda verilerden görüldüğü gibi mono-kristal ve poli-kristal güneş panellerinin üretmiş oldukları gerilimler ve güçler birbirlerine çok yakındır. İnce fil güneş paneli üretmiş olduğu gerilim mono-kristal ve poli-kristal güneş paneline göre iki kat daha büyük olmasına rağmen çıkış akımı çok düşüktür. Bu sebepten dolayı ince fil güneş panelinin çıkış gücü mono-kristal ve poli-kristal güneş panellerinin yarısında kalmıştır.

Güneş panellerinin boyutları incelendiğinde; mono-kristal güneş paneli en az yer kaplayan güneş panelidir. Poli-kristal güneş paneli mono-kristal güneş paneline göre %1-2 daha fazla yer kaplamaktadır. İnce fil güneş paneli en çok yer kaplayan güneş panelidir. Yaklaşık olarak mono-kristal güneş panelinin 2-3 katı yer kaplamaktadır.

7. SONUÇ

Fosil yakıtların giderek tükenmesi ve hava kirliliği yaratıp çevreye zarar vermesi insanları yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımına yönlendirmiştir. Yenilenebilir enerji kaynakları gelişmiş ülkelerde enerji üretiminde kullanılırken bu kaynaklar ülkemizde yeteri kadar ilgiyi görmemekte ve kullanılmamaktadır. Bu kaynakların en önemlilerinden olan güneş enerjisinin sonsuz ve kolay erişilebilir olması, güneş pilleri sayesinde doğrudan elektrik enerjisine dönüştürülmesi tercih sebeplerindendir. Ülkemizde kullanılmama sebeplerinin en önemlisi sistem maliyetinin özellikle fosil kaynaklara göre daha fazla olmasıdır.

Dünyada kullanılan fotovoltaik sistemler incelendiğin eğik çatı, düz çatı ve cephe sistemleri olarak üç uygulaması bulunmaktadır. Eğik çatı uygulaması verimlilik bakımından en iyi sonucu veren uygulamadır. Gerçekleştirilen sistemde de eğik çatı uygulanmıştır. Fotovoltaik sistemlerin en önemli parçası güneş pilleridir. Güneş pillerinde üretildikleri yarı iletkene göre verimliliklerinde değişiklik göstermektedir. Gerçekleştirilen sistemde monokristal, polikristal ve ince film güneş panelleri kullanılmıştır. Güneş panellerinin üretim gerilim (volt) güçleri (waat) anlık olarak izlenmiş ve 10 saniye aralıklarla bilgisayara kaydedilmiştir. Kaydedilen veriler işlendiğinde monokristal ve polikristal güneş verilerinin sonuçları birbirine çok yakın çıkmıştır. İnce film güneş panelinin üretimi ise monokristal ve polikristalin üretimlerinin yarısında kalmıştır.

897


[22]. Bedeloğlu A., Demir B. ve Bozkurt Y. “Fotovoltaik Teknolojisi:Türkiye ve Dünyadaki Genel Durumu, Genel Uygulama Alanları ve Fotovoltaik Tekstiller”, Tekstil Teknolojileri Elektronik Dergisi, Cilt 4(2), Sayfa 43-58, 2010

[23]. Aydöner, D., “Binaya Entegre Fotovoltaik Sistem Tasarım ve Uygulaması”, Yüksek Lisans Tezi, Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Fen Bilimleri Enstitüsü, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Anabilim Dalı, Kocaeli, Türkiye, (2010). (Danışman: A. Ata).

[24]. Mutlu, A., “Fotovoltaik Çatı Sistemlerinin Tasarımı İçin Bir Model Önerisi”, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Mimarlık Anabilim Dalı, İstanbul, Türkiye, (2010). (Danışman: N. Türkeri).

[25]. K. Başaran, K.,Çetin, N.S, Çelik, H. “Rüzgar-Güneş Hibrit Güç Sistemi Tasarımı Ve Uygulaması” 6. International Advanced Technologies Symposium (IATS’11), Sayfa 114-119, 2011

[26]. Aygün, O. D.,. “Mevcut Yapılara Fotovoltaik Panel Sistemlerin Enteger Edilmesi, İzmir Örneği”, Yüksek Lisans Tezi, Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Mimarlık Anabilim Dalı, Adana, Türkiye, (2012). (Danışman: İ. Yeğingil).

[27]. http://www.pvdatabase.org/projects_view_detailsmore.php?ID=268 (Erişim Tarihi: 20 Ocak 2015)

[28]. http://www.pvdatabase.org/projects_view_detailsmore.php?ID=359 (Erişim Tarihi: 20 Ocak 2015)

[29]. http://www.pvdatabase.org/projects_view_details.php?ID=233 (Erişim Tarihi: 20 Ocak 2015)

[30]. http://www.pvdatabase.org/urban_view_details.php?ID=2 (Erişim Tarihi: 20 Ocak 2015)

[31]. http://www.pvdatabase.org/urban_view_details.php?ID=4 (Erişim Tarihi: 20 Ocak 2015)





MEVcUT YAPILARA UYGULANAN FOTOVOLTAİK … · Güneş pillerinin yapıları da dikkate...

Documents

Transcript of MEVcUT YAPILARA UYGULANAN FOTOVOLTAİK … · Güneş pillerinin yapıları da dikkate...