Günümüzde güneş enerjisi en önemli yenilenebilir enerji
kaynaklarından biri olup Dünya’da her geçen gün daha fazla yaygınlaştırılmak
istenmektedir. Birçok alanda farklı kullanılış biçimlerine hizmet eden bu tür
sistemlerde kullanılan güneş panellerinin verimliliği sürekli arttırılmak
istenmektedir. Bu da Güneş ışınlarının gün boyunca panele dik olarak düşmesini
sağlayarak mümkün olabilmektedir. Örneğin; günümüzde suyu ısıtma maksadıyla ev
çatılarında kullanılan sabit güneş panellerinden sadece öğlen saatlerinde,
güneş ışınlarının panele dik düştüğü zamanlarda efektif olarak
yararlanılabilmektedir. Diğer zamanlarda ise daha az faydalanılmaktadır çünkü
güneş ışınlarının panele geliş açısı büyümektedir ve sıcak su kullanımı veya
elektrik üretimi gibi alanlarda daha düşük performans sergilenmektedir. Bu
nedenle gün boyu güneş enerjisinden maksimum verimle yararlanabilmek için Güneş
Takip Sistemi (GTS) kullanılmaya başlanmıştır.
GTS
yapımında iki farklı tasarım kullanılıyor ve bunları takip eksenine göre tek eksen
kontrollü ve çift eksen kontrollü olmak üzere ayırmak mümkündür. Verimlilikleri
göz önüne alındığında ise çift eksen kontrollü GTS daha avantajlıdır. Bundan
ötürü yazıda çift eksen kontrollü tasarım ele alınacaktır.
Bu sistem teorik
olarak güneşi sabahtan akşama kadar kesintisiz olarak, güneş ışınlarının güneş
paneline dik düşecek şekilde, çift eksende de (kuzey-güney ve doğu-batı) izleyebilmektedir. Fakat bu sistemin her
bölgede aynı verimlilikle çalışmasını da beklemek biraz hayalperestlik olur. Bunun
nedeni ise sistemin kurulacağı bölgedeki Güneş radyasyonlarının ve sürelerinin
farklılık göstermesi olarak açıklanabilir. Herşeye rağmen bu sistemler sabit
panellerle yapılan sistemlerle karşılaştırıldığında verimlilikleri %50 ‘ye
kadar çıkarılabilmektir.
Aşağıda Elektrik
İşleri Etüt İdaresi (EİE) Genel Müdürlüğünden aldığım verilere dikkatle
bakıldığında, Türkiye’nin en çok ve en az güneş enerjisi üretilecek ayları
sırası ile Temmuz ve Aralık olmaktadır. Bölgeler arasında en fazla güneş
enerjisi potansiyeline bakıldığında Türkiye haritasından da açıkça görüldüğü
gibi Güneydoğu Anadolu ve Akdeniz sahillerinin diğer bölgelere göre avantajlı
olduğu görülür.
Tablo-1 Türkiye'nin Aylık Ortalama
Güneş Enerjisi Potansiyeli
Kaynak: EİE Genel Müdürlüğü
|
AYLAR
|
AYLIK TOPLAM
GÜNEŞ ENERJİSİ
(Kcal/cm2-ay) (kWh/m2-ay)
|
GÜNEŞLENME
SÜRESİ
(Saat/ay)
|
OCAK
|
4,45
|
51,75
|
103,0
|
ŞUBAT
|
5,44
|
63,27
|
115,0
|
MART
|
8,31
|
96,65
|
165,0
|
NİSAN
|
10,51
|
122,23
|
197,0
|
MAYIS
|
13,23
|
153,86
|
273,0
|
HAZİRAN
|
14,51
|
168,75
|
325,0
|
TEMMUZ
|
15,08
|
175,38
|
365,0
|
AĞUSTOS
|
13,62
|
158,40
|
343,0
|
EYLÜL
|
10,60
|
123,28
|
280,0
|
EKİM
|
7,73
|
89,90
|
214,0
|
KASIM
|
5,23
|
60,82
|
157,0
|
ARALIK
|
4,03
|
46,87
|
103,0
|
TOPLAM
|
112,74
|
1311
|
2640
|
ORTALAMA
|
308,0
cal/cm2-gün
|
3,6
kWh/m2-gün
|
7,2
saat/gün
|
GÜNEŞ AÇILARINI
BELİRLEMEDE KULLANILAN FORMULLER
Sabit veya
hareketli herhangi bir düzlemdeki panel yüzeyine gelen güneş ışımalarının
değeri, düzlemin bulunduğu yerleşim yerinin coğrafik konumuyla, o güne ait olan
tarih ve gün içindeki zaman dilimiyle değişiklik gösterir. Bilinmesi gereken
bazı güneş açıları şunlardır :[3]
Ekvatorun
kuzeyinde ya da güneyinde, ekvator merkezine göre oluşan açı değeridir.
Ekvatorun kuzeyi pozitif, güneyi negatif kabul edilir. Enlem açısı, -90º ≤ Ø ≤ 90º arasında değişir.[4]
Güneşin
doğrultusu ile ekvator düzlemi arasındaki açı miktarıdır. Kuzey pozitif olmak
üzere, deklinasyon açısı, -23,45º≤δ≤23,45º
arasında değişir. Ekinoks tarihlerinde, yani gece ile gündüz zaman diliminin
eşit olduğu zamanlarda (20 Mart ilkbahar ekinoksu, 23 Eylül sonbahar
ekinoksu) deklinasyon açısının değeri,
güneş ışığı ekvatora paralel olduğu için sıfırdır. Yaz gündönümünde (21
Haziran), deklinasyon açısının değeri 23,45º ve kış gündönümünde (22 Aralık)
ise -23,45º değerine sahiptir. Deklinasyon açısının değişimi Şekil 3.1’de
gösterilmiştir.[5] Deklinasyon
açısı, aşağıdaki denklemden hesaplanır :[6]
burada n, yılın
gününü temsil eder ve 1 Ocak başlangıç olarak n = 1 kabul edilir.
Yılın Farklı
Zamanlarındaki Dünyanın Yörüngesi ve Deklinasyonu
Güneşin
doğrultusu ile dikey eksen arasındaki açı miktarıdır. Yatay düzlemde, güneşin
doğuşu ve batışı sırasında zenit açısı 90º ve öğle saatinde (12:00) ise zenit
açısı 0º ’dir. Güneş öğle saatinde havada en yüksek noktada bulunur. Enlem
açısı, deklinasyon açısı ve zenit açısı arasındaki değişim Şekil 3.2’de
görülmektedir.[5,6] Zenit açısı
şöyle hesaplanır:[4]
Burada w, saat
açısıdır. Aynı zamanda zenit açısı, güneş yükseklik açısını 90º ’ye tamamlar.
4. Güneş Yükseklik Açısı ( αs )
Güneşin
doğrultusu ile yatayın oluşturduğu açı miktarıdır. Zenit açısını 90º’ye
tamamladığı için, buradan güneş yükseklik açısı; αs = 90º- θz
olur.
5. Güneş
Geliş Açısı (Θ)
Bir yüzeye
direkt gelen ışıkla o yüzeyin normali arasındaki açı miktarıdır. Güneşin geliş
açısını temsil eder. Bu açı aşağıdaki gibi hesaplanır:
Burada γ, yüzey azimut açısıdır.
Yatay ile
verilen panel yüzey düzleminin oluşturduğu açı miktarıdır. Kuzey yarımkürede
güneye eğimli düşünülür. Eğim açısı, 0º≤ B ≤180º arasında değişmektedir. Açının
değeri:[4]
7. Yüzey Azimut Açısı (γ)
Yüzeyin
dikeyinin, yerel boylama göre, sapmasını gösteren açıdır. -180º ile
+180º arasında değişebilir. Güneye bakan yüzey için sıfır olur. Doğuya
yönelen yüzeyde artı, batıya yönelen yüzeyde ise eksi değer alır.[1,2]
a. Yazın öğle
saatinde θz , δ ve Ø açısı arasındaki ilişki
b. Kışın öğle
saatinde θz , δ ve Ø açısı arasındaki ilişki
GÜNEŞ TAKİP
SİSTEMİNİN PROTOTİP ŞEKİLDE TASARIMI
2013/2014 yılında İstanbul Beykent
Üniversitesinde yaptığım bitirme tezine konu olan ‘Güneş Takip Sistemi’nin
çalışma mantığını ve dökümanlarını ilgili tezden yararlanarak aşağıda sizlerle
paylaşacağım.
1. Sistemin Genel Çalışma Prensibi
Gerçekleştirdiğim
bu sistem teorik olarak güneşi sabahtan akşama kadar günboyu güneş ışınlarının
güneş paneline dik düşecek şekilde izleyebilmektedir. Pratikte ise güneş
panelleri kullanılmadığından (güneş pili kullanıldı) tasarlanan elektronik
devre sayesinde sensörler güneşi izleyebilme yeteneğine sahiptirler. Bu şekilde
güneş ışınları güneşin doğuşundan batışına kadar en etkin şekilde kullanılarak,
güneş enerjisinden maksimum faydalanma düşünülmüştür.
Sistemin
genel çalışma prensibi 5 ana kısımdan oluşmaktadır. Bunları; güneş paneli,
kontrol devresi, motor sürücü devre, redüktörlü motor ve mikrodenetleyicili
devre şeklinde sıralayabiliriz. Bu aşamaların gerçekleşebilmesi için ilk olarak
güneşin konumunun belirlenmesi gerekmektedir. Güneşin konumunu belirleyebilmek
amacıyla sistemde dört adet ışığa karşı duyarlı sensör (LDR) kullanılmıştır.
Kullandığımız bu dört sensör kontrol devresi ile birlikte eşzamanlı çalışmaktadır.
Biraz daha ayrıntılı açıklayacak olursak, öncelikle sensörler üzerine gelen güneş
ışınlarını akıma çevirirler, her sensörde oluşan gerilim değerleri kontrol
devresine iletilir. Burada LM324 komparatör entegrelerinden oluşan kontrol
devresi, sensörlerden entegre girişlerine gelen bu işaretleri kıyaslama
yaparak, komparatör tarafından verilen karara göre her entegrenin çıkışındaki
sinyalleri motor sürücü devrenin girişine aktarır. Burada ise LM324 entegresinin
çıkışında oluşan akım seviyesinin düşük olması nedeniyle ayrıca bir
kuvvetlendiricinin kullanılması ihtiyacı doğmuştur. Hem iki motoru da çift
yönde sürebilmek hem de akımı kuvvetlendirmek için dört transistörden oluşan
H-köprülü motor sürücü devresi kullanılmıştır. Sistemin çift eksende (doğu-batı
ve kuzey-güney) dönüşü amaçlandığı için yatay ve dikey olarak dönebilen iki
tane de DC motor kullanılmıştır. Ayrıca panellerin hangi konumda olduklarını
göstermek amacıyla birde LCD ekran bağlanmıştır.
H-Köprülü
devrede transistörleri sürmek için LM324 entegresi kullanılmıştır. LM324
entegresinde 4 adet opamp (karsılaştırıcı) vardır. Opamplar girişlerindeki
gerilim değerlerini karşılaştırarak çıkışına lojik 1 veya lojik 0 bilgisini
aktarır. Entegrenin 11’inci ayağı toprağa, 4’üncü ayağı da kaynağa bağlanır.
Negatif uçlarına bağlanan gerilim değeri pozitif uçlarına bağlanan gerilim
değerinden büyük olduğu zaman çıkış sinyali verir. Tasarlanan devrede LM324
entegresinin içindeki opampların (-) uçlarına potansiyometre üzerinden gerilim
bağladık, (+) uçlarına ise LDR üzerinden gerilim bağladık. LDR’nin aldığı ışığa
bağlı olarak direnci de değişir. LDR değişken direnç özelliği gösterdiği için
opampın pozitif ucuna sürekli değişken bir gerilim uygulayacaktır. Opamp,
sürekli olarak bu iki gerilimi karşılaştırarak çıkışta bir sinyal oluşturur ve
transistörleri sürer.
Gerçekleştirilen
tasarımda kullanılan motor yaklaşık 2-2,5 W’la çaılışan DC motorudur. DC motor
nedir, ne işe yarar? Doğru akım elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren
elektrik makinesine DC motor denir. DC motorlar
ucuz, çeşitli boyutlarda ve efektif olması onların sık kullanılmalarındaki
sebeplerin başında gelir. Ayrıca DC motorların önemli
özelliklerinden biri de, gelen voltajın işaretini dikkate alarak ileri veya
geri yönde sürülebilmesidir.
Ters Akım Diyotlu
H- Bridge Devresi
DC
Motorun uçlarını bir gerilim kaynağına bağlarsak, motor bir yönde dönmeye
başlar, DC Motorun uçlarını gerilim kaynağına ters olarak bağladığımızda ise
motorun ters yönde hareket ettiğini görürüz. DC Motorun yön kontrolünü sağlayabilmek
için H-Köprü denilen bir yöntem geliştirilmiştir. H-Köprü genel olarak 4 adet
transistor, diyot ya da MOSFET ile gerçekleştirilen motorun iki yönlü
dönebilmesini sağlayan bir yöntemdir. Yukarıdaki şekilde 4 adet transistörle
yapılmış bir H-Köprü devresi görülmektedir. Bu devrede 2 adet PNP ve 2 adet NPN
transistor kullanılmıştır.
Motorda açma ve
kapama anlarında indüklenecek gerilim çoğu zaman besleme geriliminin bile
üzerine çıkabileceğinden böyle bir durumda transistörlerin üzerinden ters akım
geçecek ve transistörler yanacaktır. Şekilde ise transistörleri açma ve kapama
anında motorda üretilecek gerilimden korumak için ayrıca koruma diyotları
bağlanmıştır.
Transistörlerin Durumuna Göre Motorun
Dönme Yönü
Devre
tasarımımızda motorun hangi yöne döneceğinin tespiti entegre çıkışından görülen
sinyalin işaretine göre yapılmaktadır. Bununla ilgili algoritma ayrıntılı
olarak aşağıdaki tabloda verilmiştir. Tablodan da görüldüğü üzere sinyal
pozitifse motor sağa dönecek, negatif ise motor sola dönecektir. Bu sebeple bu
çıkış gerilimi devremizin en önemli elektrik sinyalidir.
A
|
B
|
C
|
D
|
Fonksiyon
|
1
|
0
|
0
|
1
|
İleri Dönme
|
0
|
1
|
1
|
0
|
Geri Dönme
|
1
|
1
|
0
|
0
|
Fren
|
0
|
0
|
1
|
1
|
Fren
|
1
|
0
|
1
|
0
|
Kısa Devre
|
0
|
1
|
0
|
1
|
Kısa Devre
|
GTS Kontrol Devresi Algoritması
Tablodan
da görüldüğü üzere, A=1, D =1, B=0 ve C=0 yapıldığında motor sağa doğru
dönecektir. Tersi durumda, A=0, D =0, B=1 ve C=1 yapıldığında ise motor sola
doğru dönecektir. A=0, D =1, B=0, C=1 ve A=1, D =0, B=1, C=0 durumlarında ise motor
fren yapacaktır. A=1, D =0, B=0, C=1 ve A=0, D =1, B=1, C=0 durumlarında ise 6V
ve toprak kısa devre olduklarından böyle bir durum devre için sakıncalıdır.
H-Köprü yöntemi kullanılırken bu iki durumun oluşmasına fırsat verilmemelidir.
4.
LCD İle Haberleşmenin Sağlanması
Sistemin LCD ile Haberleşmesi
Sistemin LCD ile Haberleşmesinin ISIS Simülasyonu
Güneşi iki
eksende de takip edebilen sistemimizin konum bilgisini ve ışığa bağlı olarak
değişen, panel üzerindeki gerilimi bir LCD vasıtasıyla görselleştirdik. Bunun
için 16F876 mikrodenetleyicisi kullanıldı ve Assembly dilinde yazılımı yazıldı.
Devre +5V ile beslenmektedir. Ayrıca programın çalışması için ihtiyaç duyulan
saat darbelerini elde etmek için 4
MHz lik kristal kullanılmıştır.
5. Tasarımın Mekanik Düzeneği
Mekanik Sistemin Üç Boyutlu Çizimi
Mekanik
sisteme ait AUTOCAD çizimi yukarıdaki şekilde gösterildiği gibidir. Uygulanan
mekanik sistemde iki adet 6 V gerilimle çalışan ve 1,3 A olan adım motoru
kullanılmıştır. Doğu-batı yönü ve kuzey-güney yönünde dönebilen bu iki DC
motor, kuplaj edilmiş redüktör dişli sisteminden oluşmaktadır. Redüktör sistemi
sayesinde yük tarafından DC motorun mili üzerinde oluşturulan büyük tork etkisi
azaltılmış oldu. Burada motorun istediğimiz hızda hareketini sağlamak amacıyla
dişli çarklar üzerinde az çok oynamalarda bulunuldu.
GÜNEŞ TAKİP SİSTEMİNİN HAYATA GEÇİRİLMESİ
Bu bölümde devrenin elektronik çizim programı yardımıyla sanal ortamda
çalıştırılması, PCB ye aktarılması ve devre elemanlarının montajının
gerçekleştirilmesi aşamaları resmedilerek anlatılacaktır.
1. Kontrol Devresinin Simülasyonunun
Yapılması
Güneş Takip Sisteminin ISIS’ te Simülasyonu
İki
eksende de güneşi takip edebilen sistem için tasarladığımız devreyi uygulamaya
geçirmeden önce Proteus 8 adlı elektronik çizim programında çalıştırdık.
İstenilen sonuçların sağlanıp sağlanılmadığına baktık. Bunun nedeni herhangi
bir olumsuzlukta uygulamaya başlanmadan değişikliklerin daha rahat bir şekilde
yapılabilmesidir. Simülasyonu yapılmadan uygulamaya geçirilen devreler,
yapıldıktan sonra herhangi bir olumsuzlukta devrenin yeniden yapılmasını gerektirebilir.
Bu durum zaman kaybına neden olduğu gibi ekonomik kayba da neden olmaktadır.
2. Kontrol Devresinin PCB ye Aktarılması
Güneş Takip Sisteminin ARES’ e Aktarılması
Devremizi ISIS te simüle ettikten sonra baskı devre kartına basılmak
üzere hazır hale getirdik. Bunun içinde ARES programı kullanıldı.
3. Kontrol Devresinin Baskı Devre Kartı
Üzerine Aktarılması
GTS’ nin Bakır Plakaya Aktarılması
Kontrol
devresi ARES’te çizildikten sonra bakır plakaya aktarılır. Devre aydınger
kâğıdına çıktı alınır. Aydınger yağlı bir kâğıt olduğundan dolayı yüksek
ateşlere dayanıklıdır. Devrenin boyutuna uygun olarak bakır plaka seçilir ve
üzerine aydınger kâğıdını ütü yardımıyla da bastırırız. Daha sonra 3 ölçek
perhidrol ve 1 ölçek tuz ruhu karıştırılarak hazırlanan karışımın içine bakır
plakamızı 15 dakika kadar beklettik ve asit karışımı içinde eriyen bakır plaka
üzerinde sadece çizilen yollar kalır. Böylelikle devremiz montajlanma seviyesine
gelmiştir.
4. Kontrol Devresinin Bakır Plaka
Üzerine Elemanlarının Yerleştirilmesi
GTS’ nin Elemanlarının Montajlanması
Bakir
plakaya gerekli elemanların yerleştirilmesi için delikler açıldı. Tasarlanan
devre elemanları yerlerine lehimlenir. Lehimleme yapılırken elemanların
yanmaması için ayrıca dikkat edilmesi gereklidir.
5. Güneş Takip Sisteminin Son Hali
İki Eksenli Güneş Takip Sisteminin Son Hali
Gerçekleştirilen sistem daha öncede ifade edildiği gibi güneş
panelleri, kontrol devresi, motor sürücü devre, redüktörlü motorlar ve
mikrodenetleyici gibi ana kısımlardan
oluşmaktadır. Burada LDR’ler üzerine düşen ışık şiddetine göre güneş
panellerinin konumu belirlenmektedir. Kıyaslayıcı olarak kullandığımız LM324
entegresinden oluşan oluşan kontrol devresi ve transistörlerden ibaret olan
H-Köprülü motor sürücü devresi baskı devre plaketine lehimlenmiştir. Doğu-batı
yönünde ve kuzey-güney yönünde hareket edebilen iki adet redüktörlü DC motorumuz
da kutuya uygun olarak monte edilmiştir. Yukarıda gerçekleştirilen iki eksenli
güneş takip sisteminin son genel görüntüsü verilmiştir.
Yapılan bu projenin maksadı gün boyu güneşi iki eksende de
izleyerek güneş enerjisinden en verimli şekilde yararlanmaktır.
Tasarlanan bu
projede güneş enerjisinden en efektif şekilde yararlanılması düşünülerek
doğu-batı ve kuzey-güney yönlü olmak üzere güneşi iki eksende de takip edebilen
sistemin gerçeklemesi yapılmıştır. Prototip şeklinde yapılan projede asıl amaç;
sistemin çalışması hakkında teknik anlamda fikir sahibi olunmasını sağlamaktır.
Ayrıca genel olarak konu hakkındaki farkındalığın arttırılmak istenmesidir.
Günümüzde enerji
ihtiyaçları çeşitli yöntemlerle, belli ücretler karşılığında elde
edilebilmektedir. Bu türlü yenilenebilir enerji kaynakları sayesinde ise
sınırsız enerjiyi herhangi bir ücret ödemeden elde etmek mümkündür. Bu
sistemlerin en büyük dezavantajlarından biri ilk kurulum maliyetinin yüksek
oluşudur. Fakat kurulması düşünülen yerler iyi belirlenirse bu maliyet ilk 1-2
yıl içerisinde çıkarılabilir ve uzun bir süre bakım gerektirmeyen ve
arızalanma ihtimali çok düşük olan bu sistemler günümüzde enerjiyi elde etmede
iyi bir alternatif olabilir. Sistemin zor arızalanabilmesi, bakımının kolay
olması ve ortalama en az 20-25 yıl civarında ömrünün olması gibi
avantajları bu projenin tercih edilmesindeki en büyük etkenlerden bazılarıdır.
Dünya
hızla yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelmektedir. Ülke olarak bizimde bu
kaynaklara yönelmekte daha fazla gecikmemiz gerektiğini düşünüyorum. Toplam güneş enerjisi kurulu güçlerine göre ülkelerin
sıralaması enerji enstitüsü verilerine göre şu şekilde sıralanmaktadır;
5-Amerika Birleşik Devletleri(12 GW)
Ülkemiz
sıralamada ilk 10′da olamayıp güneş enerjisinde toplam kurulu gücü yaklaşık 54
MW’dır. Ancak bu rakamın önümüzdeki yıllarda artması beklenmektedir. Ayrıca
Konya’da 3 GW büyüklüğü ile dünyanın en büyük tesisi olması beklenen proje için
çalışmalara başlandığı Enerji Bakanlığı tarafından açıklanmıştır.
Enerjide ülkemizin dışa bağımlılığı düşünüldüğünde bu tür projelerin daha fazla
olması gerektiği kanaatindeyim.
[1] H. Mousazadeh et al., “A review
of principle and suntracking methods for maximizing solar systems output”, Renewable and Sustainable Energy Reviews 13,
s: 1800–1818, 2009.
[2] N.A. Kelly, T.L. Gibson,
“Improved photovoltaic energy output for cloudy conditions with a solar
tracking system”, Solar Energy,
vol: 83, issue:11, s: 2092-2102, 2009.
[3]
Şenpınar, Ahmet, 2006, Bağımsız Güneş Pili Sis-temlerinin Bilgisayar ile
Kontrolü, Fırat Üniv. Fen Bilimleri Enstitüsü Doktora Tezi, Elazığ.
[4]
Beckman William A., Duffie John A., 1991, Solar Engineering of Thermal
Processes, Second Edition, A Wiley-Interscience
Publication, John Wiley& Sons, INC, Canada, 888p.
[5]
Messenger Roger, Ventre Jerry, 2000, Photo-voltaic Systems Engineering, CRC
Pres LLC, Florida, 385p.
[6]
Cooper, PI, 1969, The Absorption of
Solar Radiation in Solar Stills, Solar Energy, 12,(3).
.png)
18:20
0 comments
18:20
