Download - Güneş Takip Sistemi.pdf
GÜNEŞ TAKİP SİSTEMİ
TASARIMI VE GERÇEKLEŞTİRİLMESİ
Zeki BİLGİN
YÜKSEK LİSANS TEZİ
ELEKTRİK ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ
GAZİ ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
TEMMUZ 2006
ANKARA
Zeki BİLGİN tarafından hazırlanan GÜNEŞ TAKİP SİSTEMİ TASARIMI VE
GERÇEKLEŞTİRİLMESİ adlı bu tezin Yüksek Lisans/Doktora tezi olarak uygun
olduğunu onaylarım.
Prof. Dr. Müzeyyen SARITAŞ
Tez Yöneticisi
Bu çalışma, jürimiz tarafından Elektrik Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalında
Yüksek lisans/Doktora tezi olarak kabul edilmiştir.
Başkan : : Prof. Dr. İnan GÜLER
Üye : Prof. Dr. Müzeyyen SARITAŞ (Danışman)
Üye : Yrd. Doç. Dr. M. Timur AYDEMİR
Tarih : 20.07.2006
Bu tez, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü tez yazım kurallarına uygundur.
TEZ BİLDİRİMİ
Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde
edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu
çalışmada orijinal olmayan her türlü kaynağa eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm.
Zeki BİLGİN
iv
GÜNEŞ TAKİP SİSTEMİ
TASARIMI VE GERÇEKLEŞTİRİLMESİ
(Yüksek Lisans Tezi)
Zeki BİLGİN
GAZİ ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
Temmuz 2006
ÖZET
Fotovoltaik paneller, günümüzde kullanım alanı gittikçe artan yenilenebilir
enerji kaynakları arasındadır. Teknolojik gelişimler ışığında, fotovoltaik
hücrelerin güneş ışığını elektrik enerjisine çevirmedeki verimliliklerini
arttırmanın yolları sürekli araştırılmaktadır. Bu araştırmaların bir çoğu
fotovoltaik hücrelerin kimyasal yapısına ilişkin olarak yapılmaktadır. Ancak,
bir güneş panelinin üzerine düşen güneş ışığının ne kadarının elektrik
enerjisine çevrildiğine etki eden diğer önemli bir faktör de; gelen güneş
ışınlarının panel yüzeyiyle yaptığı açıdır. Güneş ışınları panel yüzeyine ne kadar
dik gelirse üretilen enerji o kadar yüksek olmaktadır. Güneş ışınlarının panel
yüzeyine sürekli dik gelmesini sağlamak üzere güneş takip sistemleri
kullanılmaktadır. Bu sistemlerin kullanımı neticesinde; panellerden elde edilen
elektrik enerjisi miktarının % 37’lere kadar arttığı bu çalışmada ve benzer
çalışmalarda tespit edilmiştir. Bu çalışmada, fotovoltaik malzemelerin
karakteristikleri incelenmiş ve güneş takibi yapmak üzere bir güneş takip
sistemi tasarımı yapılarak gerçekleştirilmiştir.
Bilim Kodu :905 Anahtar Kelimeler :PV, Fotovoltaik panel, Güneş takip sistemi Sayfa Adedi :97 Tez Yöneticisi :Prof. Dr. Müzeyyen SARITAŞ
v
DESIGNING AND REALİZING SUN TRACKING SYSTEM
(M.Sc. Thesis)
Zeki BİLGİN
GAZI UNIVERSITY
INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
July 2006
ABSTRACT
Photovoltaic panels today are within the renewable energy sources, and their
usage is increasing everday. With the technological developments it is
investigated to increase efficency of PV cells. Many of these investigations are
about chemical structure of PV cells. However, incident angle of sun rays on
PV cells is also important parameter regarding to how much the sun energy is
converted. It is shown that with the sun tracking system, production of electric
energy of a solar panel can be increased up to 37%. In this research we
investigated characteristics of PV cells, and designed and also realized a sun
tracking system.
Science Code :905 Key Words :PV, photovoltaic panel, sun tracking system Page Number :97 Adviser :Prof. Dr. Müzeyyen SARITAŞ
vi
TEŞEKKÜR
Çalışmalarım boyunca değerli yardım ve katkılarıyla beni yönlendiren Hocam Prof.
Dr. Müzeyyen SARITAŞ’a ve manevi destekleriyle beni hiçbir zaman yalnız
bırakmayan sevgili eşim Elmas BİLGİN’e, oğlum Fehmi BİLGİN’e ve emeklerini
hiçbir zaman ödeyemeyeceğim kıymetli anne ve babama teşekkürü bir borç bilirim.
Çalışmalarım esnasında yardımlarını esirgemeyen meslektaşlarım Telha BALCI,
Mustafa KÖKDAL ve Muzaffer KÖKSAL’a teşekkürlerimi sunarım.
vii
İÇİNDEKİLER
Sayfa
ÖZET ………………………………………………………………………………..iv ABSTRACT…………………………………………………………………….........v TEŞEKKÜR ...…………………………………………………………………….. vi İÇİNDEKİLER …...……………………………………………………………......vii ÇİZELGELERİN LİSTESİ ………………………………………….……..….........x ŞEKİLLERİN LİSTESİ …………………………………………………………..…xi RESİMLERİN LİSTESİ ……………………………………………………….......xiv SİMGELER VE KISALTMALAR ………………………………………………....xv 1.GİRİŞ…………………………………………….. …..……………………………1 2.GÜNEŞ …………………………………………………………………………….5 2.1. Güneşin Yapısı ve Fiziki Özellikleri …………………………………...……..5 2.2. Güneş Işığı Spektrumu ………………………………………………………..5 2.3. Atmosferin Güneş Işığına Etkisi………………………………………………7 2.3.1. Air mass…………………………………………………….……………9 2.4. Güneş Dünya Geometrisi …………………………………………………….13 2.5. Eşdeğer Tam Güneş Saati………………………………………………….....14 2.6. Güneş Işınımını Ölçme…………………………………………….…..….….15 2.6.1. Güneş ışınımını ölçmede kullanılan dedektörler……………...…….….16 2.7. Güneş Enerjisinin Kısıtları …………………………………………………...17 3.FOTOVOLTAİK MALZEMELERİN YAPISI …………………………..………18 3.1.Fotovoltaik (PV) Hücrelerin Tarihsel Gelişimi …………….……………… .18
viii
Sayfa
3.2.Yarıiletkenler ……………….………………………………………………..20
3.3 Fotovoltaik Etki…………….………………………………………..……….23 4.GÜNEŞ TAKİP SİSTEMLERİ ……………………………………….…………26
4.1.Güneş Takip Sistemlerinin Sınıflandırılması………………………………...26
4.1.1.Yerçekimini kullanarak çalışan sistemler. .…………………….………26 4.1.2. Açık döngü sistemler ….…………………………….……….………..28
4.1.3.Kapalı döngü sistemler….………………………………….….……….28
4.2.Güneş Takip Sistemlerinin Gerekliliği………………………….……………28
4.3.Güneş Takip Sistemlerinin Verimi…………………………………….……..29 5. BİR GÜNEŞ TAKİP SİSTEMİ TASARIMI ……………………………………35 5.1. Sistemin Genel Çalışma Prensibi …………………….…………….…..….35 5.2. Sensör Olarak Kullanılan PV Hücreler Üzerinde Yapılan Ölçümler….. …35 5.3. Sensör Paneller Arasındaki Optimum Açının Tespiti ……………..……....41
5.4. Devre Şeması ve Çalışma Prensibi ………………………………..………45
5.4.1. Sensörler………..……………………………………………..……...46 5.4.2. Sensör PV hücrelerin kısa devre akımlarının ölçülmesi…..…..….…..49
5.4.3. PV sensörlerden elde edilen gerilim değerlerinin kıyaslanması ve
yükseltilmesi……..…………..………………………………...….….50
5.4.4. Gerilim kıyaslayıcılar..……………………………………..………...52 5.4.5. Motor sürme devresi ….....……………………………………...……59
5.4.6. Sistemin gece doğuya dönmesi …....…………………..…………….60
5.4.7. Sınır anahtarları………………….………..…………….…..………..61
5.4.8. Mekanik aksam….………………………….……………………..….61
ix
Sayfa 5.4.9. Akü grubu ..……………………….………………………………....63
5.4.10. Kart baskı aşamaları ……..…………………….………….………...65
5.5. Tasarımın Maliyeti …………………….………………………………..…66
6. SONUÇ VE ÖNERİLER ……………...………………………………………68 KAYNAKLAR .. …………………………………………………………………71
EKLER………………………………………………………… ..……………….73 EK-1 Türkiye’nin yıllık ve aylara göre güneş ışınımı…………..…….…………..74 EK-2 LM358 entegresinin özellikleri ve tipik uygulamaları…..………… ……..79 EK-3 INA103 entegresinin özellikleri ve tipik uygulamaları ..………… ………83 EK-4 LM311 entegresinin özellikleri ve tipik uygulamaları …..…………….….87 EK-5 LM293D entegresinin özellikleri ve tipik uygulamaları ………....... ……..90 EK-6 Mekanik aksam ve motor kataloğu…………………………...…….. …….94 EK-7 78xx serisi voltaj regulatörleri…………………………………….. ………95 ÖZGEÇMİŞ……………………………………………………………………….97
x
ÇİZELGELERİN LİSTESİ
Çizelge Sayfa
Çizelge 2.1. Bazı AM değerlerine karşılık gelen ışınım şiddeti ve açı değerleri……10 Çizelge 4.1. Denver, CO şehrinin aylara göre ortalama günlük güneş ışınımı……..31 Çizelge 4.2. Fransa-Paris şehrinde ortalama günlük güneş ışınımı ……. ... .…… ..32 Çizelge 4.3. Avustralya-Melbourne şehrinde ortalama günlük güneş ışınımı………33 Çizelge 5.1. Sensör paneller aynı yöne bakacak şekilde sabitken gün boyu
ölçülen açık devre gerilim değerleri ………………..…………………36 Çizelge 5.2. A paneli üzerinde iki farklı ışık şiddeti altında yapılan maksimum
güç noktası ölçüm sonuçları… ………. ……………………………….37 Çizelge 5.3. B paneli üzerinde iki farklı ışık şiddeti altında yapılan maksimum
güç noktası ölçüm sonuçları……..…………………………………….38 Çizelge 5.4. Sensör panellerin güneş ışınlarının gelme açısına göre açık devre
gerilimi ve kısa devre akım değerleri……..………………………..…..40
Çizelge 5.5. Paneller birbiri ile yaptığı çeşitli açılarda güneşin bazı sapma açılarına göre panellerin açık devre gerilim ölçümleri….………....42
Çizelge 5.6. Direnç ayarına göre kazanç aralığımız……….………….…………….52
xi
ŞEKİLLERİN LİSTESİ
Şekil Sayfa Şekil 1.1. Enerji kaynaklarının kullanım alanları…….. …….……………………….1 Şekil 1.2. ABD’de 1750-2004 yılları arasında kaynaklara göre enerji tüketimi….. ..1 Şekil 1.3. Yakın geçmiş ve yakın gelecek için enerji tüketim kaynakları…….. …….2
Şekil 1.4. Ulaşım alanındaki tüketilen enerji türleri…………….. …………………..3
Şekil 1.5. Yerleşim ve ticari alanlarda tüketilen enerji türleri…………….. ………...3
Şekil 1.6. Endüstriyel alanlarda tüketilen enerji türleri ….. …….. …………………3
Şekil 1.7. 2004 yılı için tüm enerji kaynakları içerisinde yenilenebilir enerji
kaynaklarının payı …………………………………………………………4
Şekil 2.1. Mükemmel radyatörün değişik sıcaklık dereceleri için ışınım şiddeti .….6
Şekil 2.2. Güneş ışığı spektrumu…………………………….. .. …………………...7
Şekil 2.3. Atmosferde güneş ışınımı zayıflaması………..……………………………8
Şekil 2.4. Air mass tanımlaması….. ……………………………...………………….9
Şekil 2.5 Yıllık ortalama global ışınım şiddeti (W/m2)………. ……………………12 Şekil 2.6. Dünyanın güneş etrafındaki hareketi………….. ……. ….. ……………..13 Şekil 2.7. Güneşin yaz (soldaki) ve kış aylarında gökyüzündeki açısı…. ….. ……..14
Şekil 2.8. Sabit yatay bir yüzeye gün boyunca düşen güneş ışınımına bir örnek…...14
Şekil 3.1. Fotovoltaik malzemelerin verimi…………………………….. ….. ……..19 Şekil 3.2. Yalıtkan, iletken ve yarıiletken malzemelerin band aralıkları……..…..…21 Şekil 3.3. PN ekleminin oluşması …………………………………………………..22 Şekil 3.4. Bir fotovoltaik malzemenin çalışma prensibi ………………………........24 Şekil 3.5. PV hücrenin eşdeğer devresi……………………………………………..24 Şekil 3.6. Bir PV hücrenin I-V karakteristiği……………………………………….25
xii
Şekil Sayfa Şekil 4.1. Yerçekimi etkisiyle çalışan güneş takip sisteminin çalışma şekli………..27 Şekil 4.2. Açık döngü sistemlerin blok diyagramı……………………………..…...28 Şekil 4.3. Yatay bir düzlemde güneş ışınımı………………………………….... ….29
Şekil 5.1. Sensör panellerin günün saatlerine göre açık devre gerilimleri……….….36 Şekil 5.2. Çizelge 5.2’deki verilere göre A panelinin akım-gerilim karakteristiği . ..38 Şekil 5.3. Çizelge 5.3’deki verilere göre B panelinin akım-gerilim karakteristiği.…39 Şekil 5.4. Gelen ışının açısına göre sensör panellerin gücü………..…………….....41 Şekil 5.5. Sensör panellere güneşin belli bir sapma açısında gelen direkt ışınım …..43 Şekil 5.6. Sensör panellere güneşin belli bir sapma açısında gelen direkt ışınımı….43 Şekil 5.7. Gerçekleştirilen tasarımın devre blok diyagramı…………………….…..47 Şekil 5.8. Gerçekleştirilen tasarımın devre şeması…………………………….……48 Şekil 5.9. PV hücrelerin I-V karakteristiği……………………………………….. ..49 Şekil 5.10. PV sensörlerin kısa devre akımlarının voltaja dönüştürülmesi….……. .50 Şekil 5.11. Enstrümentasyon Yükselteç, INA103…………………………… .……51 Şekil 5.12. 12V’luk seri bağlı iki bataryadan pozitif ve negatif eşik
gerilimlerinin elde edilmesi…………………………………………….53
Şekil 5.13. Gerilim kıyaslayıcıların çalışma şekli animasyonu…….………………54 Şekil 5.14. Gerçekleştirilen gerilim kıyaslama devresi…………… .. ….……….…55 Şekil 5.15. (a) Histeresis yok (b) Histeresis var…………………………… ….……57 Şekil 5.16. Gerçekleştirilen histeresisli devre………………………….. ……….….58 Şekil 5.17. Motor kontrol entegresi L293D’nin bağlantı şeması………. ……….….59 Şekil 5.18. Sistemin gece doğuya dönmesini sağlayan fotodirenç ve
anahtar bağlantıları……………………….. …………………….…….60 Şekil 5.19. Gerçekleştirilen sistemin mekanik aksamı……………….. .. .…………63
xiii
Şekil Sayfa Şekil 5.20. Akülerin bağlantı şekli…………………………………………………..64 Şekil 5.21. +5V gerilim kaynağı oluşturulması……………….. …………………...64
xiv
RESİMLERİN LİSTESİ
Resim Sayfa
Resim 4.1. Yerçekimi özelliğine göre çalışan sistemlere iki örnek………..………26 Resim 5.1. Tasarımımızda kullandığımız sensör fotovoltaik hücreler …………….35 Resim 5.2. Sensör paneller arasındaki çeşitli açı şekilleri, (a) 90° dışa dönük
(b) 90° içe dönük (c) 60° dışa dönük (d) Sırt sırta (180°)…………..41 Resim 5.3. Sensörlerin yerleşim şekli………………………………….…………..46 Resim 5.4. Gerçekleştirilen tasarım………………………………………….……..62 Resim 5.5. Gerçekleştirilen tasarımın kart baskı şeması……………………………65
xv
SİMGELER VE KISALTMALAR
Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte
aşağıda sunulmuştur.
Simgeler Açıklama
PV Fotovoltaik AM Air Mass
Isc Kısa devre akımı Voc Açık devre gerilimi
Kısaltmalar Açıklama
NREL ABD Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuarı (National Renewable Energy Laboratory)
1
1. GİRİŞ
Enerji Kaynakları
Dünya nüfusu 2006 yılı itibarıyla 6,5 milyarı aşmıştır ve 2050 yılında 9 milyarı
aşacağı tahmin edilmektedir [1]. Nüfustaki artış, diğer bir çok tüketim alanının yanı
sıra enerji tüketiminde ve talebinde de artış anlamına gelmektedir. Enerji tüketimi
ulaşım, yerleşim, ticari ve endüstriyel alanlar olmak üzere dört temel alanda
incelenmektedir (Şekil 1.1) [2].
Şekil 1.1. Enerji kaynaklarının kullanım alanları [2]
İnsanoğlu enerji ihtiyacını bu güne kadar çeşitli enerji kaynaklarıyla sağlamıştır.
Şekil 1.2 son 250 yılda ABD’de kullanılan enerji kaynaklarının tüketimini
göstermektedir.
Şekil 1.2. ABD’de 1750-2004 yılları arasında kaynaklara göre enerji tüketimi [2]
2
Şekil 1.2’de görüldüğü üzere; odun uzun yıllar tek başına enerji kaynağı olarak
kullanılmıştır. 1885 yılı civarında kömür kullanımı odun kullanımını geçmiştir. 20
yy’ın ikinci yarısından itibaren petrol kullanımı kömür kullanımını da geçerek en
büyük enerji kaynağı haline gelmiştir ve halen yükselişi devam etmektedir. Bunun
yanında yine 20 yy’ın ikinci yarısında doğal gaz ve kömür kullanımında da artış
olmaya başlamıştır. 20 yy’ın başlarında hidroelektrik güç kullanımı başlamış ve
düzenli bir şekilde belli bir seviyeye gelmiştir. 20 yy’ın sonlarına doğru yeni bir
enerji kaynağı olarak nükleer elektrik enerjisi kullanımı başlamış ve hızlı bir gelişim
göstermiştir [2].
Önümüzdeki 20 yıllık süreçte, enerji kaynakları kullanımında tahmini gelişim Şekil
1.3’deki gibi öngörülmektedir. Tabii bu gelişimde devlet politikası, yasal
düzenlemeler, uluslar arası ilişkiler önemli ölçüde etken olacaktır.
Şekil 1.3. Yakın geçmiş ve yakın gelecek için enerji tüketim kaynakları [2]
Şekil 1.3’de gösterildiği gibi, önümüzdeki 20-25 yıllık süreçte herhangi bir ani
değişiklik olmazsa fosil kaynaklı enerji türleri (petrol, doğal gaz, kömür) en büyük
paya sahip olarak kullanılmaya devam edecektir. Aslında fosil kaynaklı enerji
türlerinin en büyük paya sahip olmalarının bir sebebi de bu enerji kaynaklarının hitap
ettiği alanlardır. Örneğin; ulaşım alanında petrolle rekabet edecek seviyede henüz
alternatif bir enerji kaynağı yoktur (Şekil 1.4). Benzer şekilde yerleşim alanlarındaki
temel ihtiyaçlar için doğal gaz çok kullanışlı bir enerji kaynağıdır (Şekil 1.5).
3
Dolayısıyla talep bir yönüyle enerji kaynaklarının gelişiminde belirleyici rol
oynamaktadır.
Şekil 1.4. Ulaşım alanındaki tüketilen enerji türleri [2]
Şekil 1.5. Yerleşim ve ticari alanlarda tüketilen enerji türleri[2]
Şekil 1.6. Endüstriyel alanlarda tüketilen enerji türleri [2]
Yenilenebilir Enerji Kaynakları
Bir önceki bölümde dünyada enerji kaynağı olarak büyük oranda fosil kaynakları
(petrol, doğalgaz, kömür) kullanıldığı belirtilmişti.
4
2004 yılı için dünyadaki enerji kaynaklarının kullanım oranı Şekil 1.7’de
gösterilmektedir.
Şekil 1.7. 2004 yılı için tüm enerji kaynakları içerisinde yenilenebilir enerji
kaynaklarının payı [2]. Şekil 1.7’de görüldüğü gibi yenilenebilir enerji kaynakları tüm enerji kaynaklarının
%6’sını oluşturmaktadır. Direkt güneş enerjisi dönüşümüyle elde edilen enerji ise
yenilenebilir enerji kaynakları içerisinde ancak %1’lik bir paya sahiptir. Güneş gibi
çok büyük bir enerji kaynağından istifade edilme oranı çok düşüktür. Bunun çeşitli
sebepleri vardır ve bunlar bölüm 2.7’de açıklanmaktadır.
5
2. GÜNEŞ
2.1. Güneşin Yapısı ve Fiziki Özellikleri
Güneşteki enerji üretim şekli hala tam olarak aydınlatılamamış bir konudur. Genel
kabul gören görüş; hidrojenin helyuma termonükleer reaksiyonunun güneşin enerji
kaynağını oluşturduğu şeklindedir. Ancak bu reaksiyon laboratuar ortamında
gerçekleştirilemediği için reaksiyon mekanizmasının detayları, güneş lekeleri ve
patlamalar gibi konular hala tam olarak açıklığa kavuşmamıştır [3].
Güneş 13,9x105 km çapında, birçok gaz tabakasından oluşmuş ve merkeze doğru
sıcaklığı artan küre şeklinde bir cisimdir. Dış yüzeyi yaklaşık olarak mükemmel
radyatörün (black body) sıcaklık derecesine eşdeğer olarak 5760 K’dir [3,4].
Güneşten sürekli 3,8x1023 kW gücünde enerji yayılımı olmaktadır ki bu Einstein’ın
meşhur E=mc2 formülüne göre 4,7x106 ton/sn miktarında kütlenin enerjiye
dönüşümü demektir. Ancak bu enerji yerküreye ulaşana kadar 150 milyon km yol kat
eder ve enerji yoğunluğu 1367 W/m2’ye düşer. Bu ışıma şiddeti atmosferin hemen
dışındaki herhangi bir nokta için sabit kabul edilmektedir[3,4,5].
2.2. Güneş Işığı Spektrumu
Güneşten yayılan enerji düzgün olarak ve her yöne dağılmaktadır. Bu enerji yayılımı
eşitlik [2.1]’de gösterilen Planck’ın mükemmel radyatör yayılımı (black body
radiation) formülüyle uyuşmaktadır [4].
(W/m2/birim dalga boyu) (2.1)
h = 6,63 x 10-34 watt sn2 (Planck sabiti) k = 1,38 x 10-23 joule/K (Boltzmann sabiti)
6
Eş.2.1 incelendiğinde görülecektir ki; belli bir dalga boyundaki ışıktan elde edilecek
enerji şiddeti ışığın dalga boyuna ve sıcaklık derecesine bağlıdır. Bununla ilgili
olarak Şekil 2.1’de değişik sıcaklık dereceleri için mükemmel radyatörün ışınım
şiddeti grafiği çıkarılmıştır.
Şekil 2.1. Mükemmel radyatörün değişik sıcaklık dereceleri için ışınım şiddeti grafiği [4]
Görüldüğü üzere düşük sıcaklıklara doğru gidildikçe, ışınım şiddetinin tepe değeri
sağa doğru kaymaktadır[4]. Gerçek hayatta da karşılaştığımız durumlar buna
uygundur. Örneğin, ısı yayan bir cismin sıcaklığı arttıkça kızarmaya başlar ve bu
durum yaydığı enerjinin görünür ışık bölgesine doğru kaydığını gösterir. Eğer
sıcaklığı daha da artarsa rengi maviye yaklaşır çünkü görünür ışık bölgesi de kendi
içinde renk tayflarına ayrılır.
Güneşin ve Eş.2.1’de ifade edilen mükemmel radyatörün spektrumu Şekil 2.1 ve
Şekil 2.2’de gösterilmektedir.
7
Şekil 2.2. Güneş ışığı spektrumu [3]
Şekil 2.2’de görüldüğü üzere güneşin spektrumu mükemmel siyah cisminkine
oldukça yakındır. Çoğu ışık kaynağı mükemmel siyah cismin veya güneşin yaydığı
ışık spektrumunda ışık vermez. Diğer bir ifadeyle yaydığı ışıkta her dalga boyuna
ilişkin bileşen olmayabilir. Bu husus özellikle fotovoltaik hücrelerle ilgili ölçüm ve
deneyler yaparken kullanılan ışık kaynaklarına dikkat edilmesi açısından önem arz
etmektedir [4].
2.3. Atmosferin Güneş Işığına Etkisi
Güneş ışığı atmosfere girerken bir kısmı uzaya geri yansır, bir kısmı su buharı ve
hava moleküllerince soğurulur, bir kısmı da hava, su buharı ve toz parçacıklarına
8
çarparak saçılır (Şekil 2.3) [3,4]. Güneş ışığına karşı farklı moleküller farklı tepkiler
gösterirler. Örneğin; ozon, spektrumun ultraviyole bölgesindeki ışınları soğururken,
su buharı ve karbondioksit öncelikle görünür ve kızılötesi bölgelerdeki ışınları
soğurmaktadır [4].
Şekil 2.3. Atmosferde güneş ışınımı zayıflaması [3]
Yeryüzüne ulaşan güneş ışını, doğrultu değiştirmeden ulaşan direkt ışınım ve saçılan
ışınlardan gelen dağınık ışınımın birleşimidir. Güneş güneydeyken bir evin kuzeye
bakan penceresinden içerinin aydınlanması bu dağınık ışınım sayesinde olmaktadır.
Aynı şekilde, direkt olarak güneş görmeyen bir fotovoltaik hücrenin enerji
üretmesinin sebebi de bu dağınık ışınımlardır. Bu ışınım şeklinde ışınlar dağınık
yapıda olduklarından mercekler vasıtasıyla odaklanamazlar ama direkt ışınım öyle
değildir, ışınlar birbirine paralel geldiklerinden istenildiği taktirde odaklandırılarak
daha yoğun ışık şiddeti elde edilebilir.
Eğer atmosfer olmasaydı bahsedilen bu ikinci dağınık ışınım olmayacaktı. Bu
durumda ise; Ay üzerinde olduğu gibi çok keskin aydınlık ve karanlık alanlar
9
oluşacaktı, sabah, öğle ve akşam sıcaklığı arasında çok büyük farklar olmayacaktı
ancak gündüz ve gece arasında büyük sıcaklık farkları oluşacaktı. Bunlara ilaveten
konumuzla ilgili olması dolayısıyla şu hususu da özellikle belirtmek gerekir;
atmosfer olmasaydı bir fotovoltaik panel güneşi gördüğü müddetçe sabah, öğle ve
akşam hep aynı miktarda enerji üretirdi.
2.3.1. Air mass
Önceki bölümde, ışığın atmosferde yansıtıcı, dağıtıcı ve soğurucu etkilere maruz
kaldığından bahsedildi. Işığın bu etkenlerden ne kadar etkilendiği atmosferde kat
ettiği yolun uzunluğuyla doğru orantılıdır [3,4,6].
Işığın atmosferde kat ettiği yolun göstergesi olarak air mass tanımlanmıştır. Şekil
2.4’de gösterildiği gibi air mass’ı şöyle tanımlayabiliriz:
Air Mass = AM = (Işığın atmosferde kat ettiği yol)/(Güneş tam tepede olsaydı ışığın
deniz seviyesine katedeceği yol) = BP/AP = cosec α =sec z [3,4,7]
Şekil 2.4. Air mass tanımlaması [3]
10
Yukarıdaki tanımlamadan hareketle şöyle bir genelleme yapabiliriz;
-Atmosferin hemen dışındaki herhangi bir nokta için Air Mass 0, -Deniz seviyesinde ve güneş tam tepedeyken Air Mass 1, -Deniz seviyesinden yukarıda ve güneş tam tepedeyken 0 < Air Mass < 1, -Güneş tepede değilken yerdeki herhangi bir nokta için Air Mass > 1, -Güneş, yüzey normaline 48º açıyla gelirken Air Mass = 1,5 ‘dur.
Fotovoltaik ölçümler, standart olarak Air Mass = 1,5 ‘da yapılmaktadır[4].
AM0 şartında yani atmosferin hemen dışındaki bir noktada güneşin ışınım şiddeti
1367 W/m2 iken AM1 şartında yani deniz seviyesinde bir noktaya güneş dik olarak
geldiğinde ışık şiddeti yaklaşık 1000 W/m2’ye düşmektedir. Yani, AM1 şartı altında
atmosfer, güneş ışığı enerjisinin yaklaşık %30’unu geri yansıtmakta veya
soğurmaktadır. Değişik Air Mass şartları altında güneş ışınımının ne kadarının yere
ulaşacağı konusunda bir çok farklı yaklaşım metodu çıkarılmıştır [3,4,8]. Bunlardan
Meinal ve Meinal’e göre[4] elde edilen ışık şiddeti ve Air Mass arasında şöyle bir
yaklaştırma yapılabilir:
(2.2)
Eş. 2.2’deki formülün bazı AM değerleri için sonuçları Çizelge 2.1’de gösterilmiştir.
Çizelge 2.1. Bazı AM değerlerine karşılık gelen ışınım şiddeti ve açı değerleri
Çizelge 2.1.’de görülen yere ulaşan ışıma şiddetindeki düşüş tamamen güneş
ışınlarının atmosferde güç kaybetmelerinden kaynaklanmaktadır. Dolayısıyla şu
hususu özellikle vurgulamak gerekir; güneş takip sistemlerinin kullanım amacı ışık
Air Mass (AM)
Yere ulaşan ışınım şiddeti (I) (W/m2)
Güneş ışığının yüzey normaliyle yaptığı açı (derece)
0 1367 0 1 957 0 1,15 923 30 1,5 855 48 2 773 60 3 645 70 5 473 78 10 250 84
11
şiddetindeki bu azalmaları telafi etmek değildir. Atmosferden dolayı oluşan enerji
kaybına karşı yapılabilecek bir şey yoktur. Güneş takip sistemlerinin kullanım amacı
ise Bölüm 4.2’de açıklanmaktadır.
Gerçek ışınım şiddeti, güneşin mevsimsel ve günlük hareketlerine ve atmosferin
durumuna göre değişmektedir. Ortalama global ışınım şiddeti, yüksek enlemlerde
100 Wm-2’nin altına düşerken sıcak ve güneşli bölgelerde 300 Wm-2’yi
geçebilmektedir. Şekil 2.5 yıllık ortalama global ışınım şiddeti dağılımını
göstermektedir.
Şekil 2.5. Yıllık ortalama ışınım şiddeti (W/m2) [3,14]
12
13
2.4. Güneş-Dünya Geometrisi
Şekil 2.6 dünyanın güneş etrafındaki yıllık yörüngesini göstermektedir. Dünyanın
güneşle olan mesafesi 21 Aralıkta en kısa mesafeye inerek 1,471 x 1011 m olurken 21
Haziranda en uzun mesafeye çıkarak 1,521 x 1011 m olmaktadır [1]. Dikkat edilirse;
dünya ile güneş arasındaki mesafe en kısa olduğu zaman kış mevsimini en uzun
olduğu zaman ise yaz mevsimini yaşamaktayız. Tabii güney yarım kürede durum
bunun tam tersidir. Buradan hareketle şu sonuca varabiliriz; dünyadaki mevsimsel ve
günlük sıcaklık değişimleri güneşe yakınlıktan ziyade güneş ışınlarının yere geliş
açısıyla ilgilidir. Mevsimsel değişimler, dünyanın kutup eksenindeki 23,45º’lik eğimi
ve güneş etrafındaki dönüşünden kaynaklanmaktayken, günlük değişimler dünyanın
kendi ekseni etrafındaki dönüşünden kaynaklanmaktadır.
Şekil 2.6. Dünyanın güneş etrafındaki hareketi [3]
Şekil 2.7’de de görüldüğü gibi yaz mevsiminde güneş ışınları atmosfere daha dik
açıyla girerken kış mevsiminde daha eğimli bir açıyla gelmektedirler. Dolayısıyla
güneşin günlük hareketinin (doğuş ve batış) yanı sıra bir de mevsimsel hareketi söz
21 Aralık
21 Mart
21 Eylül
21 Haziran
Kutup ekseni
Ekliptik eksen
Ekliptik düzlem
Güneş
14
konusudur. Güneş takip sistemi tasarımlarında her iki değişimde dikkate alınarak tek
eksende veya çift eksende takip yapabilen sistemler geliştirilebilmektedir [9-11].
Şekil 2.7. Güneşin yaz (soldaki) ve kış aylarında gökyüzündeki açısı [6]
2.5. Eşdeğer Tam Güneş Saati
Birim zamandaki ışınım W/m2 birimiyle ölçülür ve anlık bir büyüklüktür. Örneğin;
atmosferin hemen dışında yani AM0 şartında ışınım 1367 W/m2’dir ve sabit kabul
edilir. Atmosferi geçtikten sonra AM1 şartı altında bu değer yaklaşık 1000 W/m2’ye
düşmektedir.
Toplam ışınım ise belli bir süre zarfında toplanan güç miktarıdır ve kWh/m2
birimiyle gösterilir.
Şekil 2.8. Sabit yatay bir yüzeye gün boyunca düşen güneş ışınımına bir örnek [6]
Eşdeğer tam güneş saati (equivalent peak sun hours (psh)) ise; bir yere gün boyunca
düşen ışınım gücü toplamının kaç kWh/m2 olduğunun ölçüsüdür. Yani Şekil 3.9
örneğinde görülen yer için sabah-öğle-akşam saatlerinde farklı şiddetteki ışık
15
enerjisi toplamı 3,9 kWh’dir ve bu noktanın eşdeğer tam güneş saati 3.9 kWh (psh)
demektir [4,6].
2.6. Güneş Işınımını Ölçme
Güneş ışınımı her ne kadar varsayımlar ve teorik hesaplarla herhangi bir bölge için
tahmin edilebilse de bir bölgedeki gerçek güneş ışınımı değerlerini bulmak için
ölçümler yapmak gerekmektedir. Hatta bu değerlerin daha sağlıklı bir netice vermesi
için ölçümlerin uzun süreli yapılarak ortalama bir değer elde edilmesi gerekmektedir.
Çünkü önceki bölümlerde de açıklandığı gibi herhangi bir yere her herhangi bir tarih
ve zamanda düşen güneş ışınımı şiddeti bir çok değişkene bağlı olarak (atmosfer
koşulları, çevresel şartlar vs.) ani değişiklikler gösterebilmektedir.
Güneş ışınımı şiddetini ölçmek için temelde iki farklı tür cihaz kullanılmaktadır.
Bunlar, piranometre (pyranometer) ve pirhelyometre (pyrheliometer)’dir [3,4]
(Resim 2.1). Pironometre, yarı küresel bir görüş açısına sahiptir ve bu sebeple direkt
ve dağınık ışınımın toplamını ölçmek için kullanılırlar. Pirhelyometre ise daha dar
(yaklaşık 5º) bir görüş açısına sahiptir ve bu sebeple daha çok güneşten gelen direkt
ışınımı ölçmek amacıyla kullanılır. Piranometre ayrıca direkt ışınımı engelleyen bir
band kullanılarak sadece dağınık ışınımı ölçmek amacıyla kullanılabilir [3,4].
(a) (b)
Resim 2.1.Tipik ticari piranometre örnekleri (a) termal dedektörlü (b) fotovoltaik dedektörlü [3]
16
Pirhelyometre kullanarak direkt güneş ışınımı şiddetini ölçerken doğru bir ölçüm için
cihazın güneşe tam dik açıyla bakması gerekmektedir (Resim 2.2). Eğer ölçümü belli
bir süre içerisinde sürekli yapacaksak bu cihazı güneş takip sistemiyle bütünleşik bir
yapıda kullanmak gerekmektedir [3,4,9,10,11].
(a) (b)
Resim 2.2.(a) İki eksende güneş takibi yaparak ölçüm yapan bir pirhelyometre (b)bandlı bir piranometre [3,4]
2.6.1. Güneş Işınımı Ölçmede Kullanılan Detektörler
Güneş ışınımı ölçen cihazlarda dört temel tip detektör kullanılmaktadır. Bunlar;
termomekanik, kalorimetrik, termoelektrik ve fotoelektrik detektörlerdir [3,12,13].
Bunlar içerisinde en yaygın olarak kullanılanları termoelektrik ve fotoelektrik
detektörlerdir[3].
Termoelektrik dedektörler, seri termik çift (thermocouple) bağlantılarından oluşan
termik pil kullanırlar. Termik pil, bağlantının sıcak ve soğuk tarafı arasındaki farkla
doğru orantılı olarak bir voltaj üretir ki bu aynı zamanda gelen güneş ışınımıyla da
doğru orantılıdır[3].
Fotovoltaik dedektörler, genelde silikon fotovoltaik hücreler kullanırlar [3]. Bunlar,
bu çalışmada gerçekleştirilen güneş takip sisteminde uygulanan bir metod olan (Bkz.
Bölüm 5) kısa devre akımı ölçümünü kullanmaktadır.
17
2.7. Güneş Enerjisinin Kısıtları
Güneş enerjisi kullanımında karşılaşılan birinci problem düşük ışık akısıdır ki bu,
büyük ölçekli kullanımlarda yeterli enerjiyi elde etmek için büyük yüzeyler
kullanılmasını gerektirmektedir. Yüzey büyüdükçe de enerjinin elde edilme maliyeti
artmaktadır. Örneğin, AM1 şartı altında (bkz Çizelge 2.1) bulutsuz güneşli bir
havada 10 m2’lik bir alanda %10 verimde yaklaşık 1kW’lık bir enerji
üretilebilmektedir. Gerçek uygulamada bu değeri daha da düşüren atmosferik etkiler,
bulut, hava kirliliği vs. gibi birçok faktör vardır[3].
Karşılaşılan ikinci problem, güneş enerjisinin büyük çoğunluğunun yerleşim
alanlarından uzak yerlere düşmesidir. Örneğin, Şekil 2.5 incelendiğinde görülecektir
ki ortalama yıllık güneş ışınımı şiddetinin en yüksek olduğu alanlar daha çok çöl
bölgeleri ve ekvatora yakın alanlardır. Bu bölgeler ise elde edilen enerjiyi ihtiyaç
duyulan yerlere iletmek için çeşitli iletim ortamları gerektirecektir[3].
Güneş enerjisi kullanımında karşılaşılan diğer bir problem ise bu enerjinin
kesilebilirliğidir. Daha açık bir şekilde ifade edersek; dünyanın kendi eksenindeki
dönüşünden kaynaklanan gündüz ve gece oluşumu, dünyanın kutup eksenindeki
23,45º’lik eğimi ve güneş etrafındaki dönüşünden kaynaklanan mevsimsel
değişimler, kötü hava koşulları gibi sebepler dolayısıyla güneş enerjisi her zaman
değişim göstermektedir. Bu sebeple bu enerjinin depolanması ve dağıtılmasında bazı
özel problemler gündeme gelmektedir[3].
18
3. FOTOVOLTAİK MALZEMELERİN YAPISI
3.1. Fotovoltaik (PV) Hücrelerin Tarihsel Gelişimi
Fotovoltaik etki ilk olarak 1839 yılında Edmond Becquerel tarafından elektrolit sıvı
içerisindeki altın kaplama platinyum elektrota güneş ışınının etkisini gözlemlerken
farkedilmiştir[5, 7,15, 16, 18].
1876 yılında W.G. Adams ve R.E. Day tarafından ilk defa bir katı yarı iletken
malzemenin - selenyum- fotovoltaik özelliği keşfedilmiştir[3, 4, 7,17].
1894 yılında Charles Fritts, altın ile başka bir metal arasına selenium tabakası
bastırarak bir yönüyle ilk geniş alan fotovoltaik paneli hazırlamıştır [7].
1900 yılında Planck, ışığın parçaçık yapısını yayınlayınca bilim adamları için bu
teori üzerinde geniş çaplı araştırmalar yapma yolu açıldı [4].
İlerleyen yıllarda bakır-bakır oksit ince film yapıları, kurşun sulfite ve talyum sülfat
yapıları gözlemlendi.
1930 yılında Wilson, foton ile katıların özellikleri arasındaki bağlantıyı teorik olarak
gösteren katıların kuantum teorisini yayınladı. Bundan on yıl sonra Mott ve Schottky
yarı iletken diyodun teorisini geliştirdi ve 1949 yılında Bardeen, Brattain ve
Shockley bipolar transistörü keşfettiler [4].
İlk katı yarı iletken fotovoltaik hücrenin keşfinden sonra (1876) verimi %1’i kısmen
geçen ilk fotovoltaik hücrenin yapılması yarım yüzyıl sürmüştür. Bu da düzeltilmiş
bölgedeki bir thallium sulfite fotohücresidir [18].
Ancak tüm bu gelişmelere rağmen fotovoltaik hücrelerin kullanımının yaygınlaşması
için verimlerinin daha yüksek olması gerekmekteydi. Bu konudaki ilk büyük
gelişme 1954 yılında Chapin, Fuller ve Pearson tarafından %6 verimle çalışan bir
19
silikon tabanlı fotovoltaik hücrenin üretilmesi olmuştur. Bu gelişmeden dört yıl
sonra güneş panelleri ilk defa Vanguard-I orbittin uydusunda kullanılmıştır [4,18.]
1960’ların başlarında ilk galyum arsenit hücreler üretilmiştir. Verim konusunda
silikona göre ikinci sırada (~%3) olmasına rağmen bunların silikon hücrelere karşı
avantajı, aşırı sıcakta bile çalışabilmeleridir. Bu sebeple Galyum Arsenitin ilk pratik
uygulaması çok ekzotik bir şekilde uzay araçlarına enerji sağlamakla başlamıştır.
1965 yılında Venüs’e inen Rus uzay araçları ‘Venera-2’ ve ‘Venera-3’ de
kullanılmış, 1970 ve 1972 yıllarında Ay’a inen ‘Lunohhod-I’ ve ‘Lunohhod-II’ uzay
araçlarında kullanılmışlardır [18 ].
Şekil 3.1’de çeşitli fotovoltaik malzemelerin band aralıkları ve verimleri
gösterilmektedir.
Şekil 3.1. Fotovoltaik malzemelerin verimi [3]
Martin ve Luque’ye göre (2003) fotovoltaik hücrelerdeki bu gelişmeler direkt olarak
yarıiletken malzeme ve cihazlar üzerinde yapılan teorik ve teknolojik çalışmalardan
kaynaklanmaktadır.
20
Yüksek teknolojiler kullanılarak yarı iletken malzemeler konusunda çok farklı
üretimler yapılmaya devam edilmektedir. Şu ana kadar yapılan çalışmalarda bir p-n
bağlantısına sahip fotovoltaik hücreler içinde elde edilen en yüksek verim oranı,
MOCVD (metal-organik kimyasal buhar deposition) tekniğiyle üretilen bir hücreden
elde edilmiştir ve % 27.6’dır(konsantre güneş ışığında ve AM 1.5 spektrumunda)
[18].
3.2. Yarıiletkenler
Bilindiği üzere maddenin temel yapıtaşı atomdur. Tüm atomlarda, güneş ve
gezegenlerin hareketine benzer şekilde merkezde çekirdek ve onun etrafında belli
yörüngelerde dönen elektronların oluşturduğu bir yapı vardır.
Bir atomda çekirdek etrafında dönen bir elektronu koparmak için; bu elektrona
dışardan enerji vererek, atomdan kopmasına yetecek enerji seviyesine gelmesini
sağlamak gerekmektedir. Atom çekirdeği etrafında en iç yörüngede bulunan
elektronlar en düşük enerji seviyesindedir. Dolayısıyla iç yörüngelerdeki elektronları
atomdan koparmak için dış yörüngedeki elektronlara göre daha fazla enerji
gerekmektedir [3,4,24].
Eğer bir atomun dış yörüngesindeki elektronlar atoma zayıf bir bağla bağlıysa bu
elektronlar kolaylıkla atomdan koparak başka bir atomun yörüngesine girebilir.
Böyle bir durumda, elektron ayrıldığı atomu pozitif iyon haline getirirken bağlandığı
yeni atomu negatif iyon haline getirir. Bu şekilde oluşan negatif ve pozitif iyonlar
aralarında oluşan çekim kuvvetinin etkisiyle birbirine bağlanabilir ve aralarında
iyonik bağ oluştururlar. Eğer atomun dış yörüngesi tamamen dolu değil ve aynı
zamanda dış yörüngedeki elektronlar atoma kuvvetli bağlarla bağlıysa, bu atomlar
komşu atomların elektronlarını ortak kullanarak son yörüngelerini doldurabilirler. Bu
şekilde oluşan atomlar arası bağa ise kovalent bağ denmektedir [4].
Bir atomun karakteristik özelliğini son yörüngesinde bulunan elektronlar
belirlemektedir ve bu elektronların olduğu banda valans bandı denmektedir. Valans
21
bandındaki bazı elektronlar o kadar enerjik olabilirler ki biraz daha üst enerji
seviyesine sıçrayabilir ve dışarıdan uygulanacak hafif bir etkiyle atomdan
kopabilirler. Bu tür elektronlar elektrik ve ısı iletiminde aktif rol oynarlar ve bunların
bulunduğu banda iletkenlik bandı denir. Valans bandı ve iletkenlik bandı arasındaki
enerji seviyesine band aralığı (band gap) veya yasak aralık denir [3,4,24].
Valans bandı tamamen dolu olan materyallerin çok yüksek band aralıkları vardır
(>3eV) ve bu tür malzemeler yalıtkan olarak isimlendirilir. Diğer yandan valans
bandı kısmen boş olan ve iletkenlik bandında biraz elektron olan materyaller iyi
iletkendirler ve metaller bu gruba girer. Valans bandı kısmen dolu olan ve orta
seviyede band aralığına (<3eV) sahip olan malzemeler yarıiletkenler olarak
adlandırılır (Şekil 3.6 ve 3.7) [4].
Şekil 3.2. Yalıtkan, iletken ve yarıiletken malzemelerin band aralıkları [3]. Saf yarıiletkenler, katkısız (intrinsic) yarıiletkenler olarak adlandırılır. Eğer
yarıiletkene çok az miktarda başka bir madde katılmışsa katkılı (extrinsic)
yarıiletken denmektedir. Katkı maddesine göre yarı iletken farklı özellikler
göstermektedir. Eğer katkı maddesinin valans bandında saf yarıiletkenin valans
bandındaki elektrondan daha fazla elektron varsa katkı maddesi n-tipi olarak
adlandırılır. Bu tür malzemeler elektriksel açıdan nötr olmalarına rağmen fazla
elektronları varmış gibi görünürler. Örneğin; silikonun valans bandında dört elektron
vardır. Saf silikon atomları öyle bir yapı oluştururlar ki; her bir atom dört komşu
atomla birer elektronunu ortak kullanarak aralarında kovalent bağ oluşturur ve kararlı
bir yapı kurarlar. Eğer silikondan bir fazla olarak beş valans elektronuna sahip olan
antimon (Sb), saf silikona katılırsa katkılı malzeme elektriksel açıdan nötr olmasına
22
rağmen iletim işini görecek fazla elektronu varmış gibi görünür. Bu şekilde
katkılanmış bir malzeme n-tipi silikon olarak adlandırılır [3,4,24].
Diğer yandan silisyum, valans elektronu sayısı kendisinden bir eksik olan Bor ile
katkılanırsa katkılı madde elektriksel olarak nötr olmasına rağmen fazla pozitif
boşluk (elektron eksikliği) varmış gibi görünür. Bu şekilde katkılanmış bir silisyum
malzeme p-tipi silisyum olarak adlandırılır. Bu şekilde oluşturulan elektron ve
boşlukların yarı iletken malzemelerde akımı kolaylaşır [3,4,24].
PN Eklemi
Eğer bir miktar saf silikonun bir parçası n-tipi olacak şekilde katkılanır, diğer parçası
ise p-tipi olacak şekilde katkılanır ise iki bölgenin birleşim noktasında Şekil 3.3 ’de
gösterildiği gibi pn eklemi oluşur. P bölgesi çoğunluk taşıyıcısı olarak boşluk
içerirken n bölgesi elektron içerir [3,4,24].
Şekil 3.3. PN ekleminin oluşması [24]
Şekil 3.3’de görüldüğü gibi n bölgesindeki elektronların birçoğu rastgele hareket
ederken pn eklemine yakın olan elektronlar p bölgesindeki boşluklarla birleşirler. Bu
birleşmelerden dolayı n bölgesi elektron kaybettiği için pozitif elektrik yüklü hale
gelirken p bölgesi fazla elektrona sahip olmaktan ötürü negatif elektrik yüklü hale
gelir. Bunun neticesinde pn eklem noktasında bir potansiyel engel bölgesi (depletion
region) oluşur. Elektronların bu bölgeyi aşıp iletime devam etmesi için pn eklemine
dışardan uygun elektrik beslemesi yapılması gerekmektedir.
23
3.3. Fotovoltaik Etki
Bir atomun valans bandındaki elektronu tarafından ışık fotonu absorbe edilirse,
elektronun enerjisi fotonun enerjisi kadar artar. Eğer fotonun enerjisi yarıiletkenin
band aralığına eşit veya büyükse elektron iletkenlik bandına sıçrar ve serbest hareket
eder [3,4].
Eğer fotonun enerjisi elektronu iletkenlik bandına çıkaracak seviyede değilse bu
enerji ısı enerjine dönüşerek malzemenin sıcaklığını artırır. Eğer fotonun enerjisi
elektronu iletkenlik bandına çıkartmaktan çok daha fazla ise bu fazla enerji
malzemede ısı enerjisine dönüşür. Burada şu hususu özellikle belirtmek gerekir; bir
foton, enerjisi ne kadar yüksek olursa olsun sadece bir elektronu serbest hale
getirebilir.
Yukarıda belirtilen sebeplerden dolayı bir fotovoltaik panelin yüzeyine gelen güneş
ışığı enerjisi ancak belli bir verimle elektrik enerjisine çevrilebilir. Fotovoltaik
malzemelerde verimin düşük olmasının en büyük sebebi budur. Fotovoltaik etkiyle
oluşan elektronlardan güç olarak faydalanabilmek için oluşan serbest elektronların
boşluklarla birleşmeden yönlendirilerek kanallanması gerekmektedir. Bu iş için bir
önceki bölümde bahsedilen pn eklemi kullanılır [3,4, 24].
Şekil 3.4 bir fotovoltaik malzemenin şematiğini göstermektedir. N-tipi yarıiletken
yüzeye fotonların çarpması sonucu oluşan serbest elektronlar ya harici devre
üzerinden dolaşarak p-tipi malzemedeki boşluklarla birleşecek yada pn ekleminin
içinden direkt olarak p-tipi malzeme tarafına geçmeye çalışacaktır. Harici devre açık
devre olmadığı sürece p-tipi malzeme tarafındaki negatif yükler bu direkt geçişi
büyük ölçüde sınırlandıracaktır. Eğer harici devre açık olursa serbest elektronlar
sonuçta boşluklarla birleşecek ve malzemede sıcaklık artışı olacaktır [3].
24
Şekil 3.4. Bir fotovoltaik malzemenin çalışma prensibi [3].
Şekil 3.5’de bir fotovoltaik hücrenin eşdeğer devresi görülmektedir. Görüldüğü gibi
eşdeğer devre, bir akım kaynağı, bir diyot, seri direnç(rs) ve paralel (shunt) dirençten
(rsh) oluşmaktadır.
Şekil 3.5. PV hücrenin eşdeğer devresi
Seri direnç (rs) PV hücrenin ön yüzündeki direnç kayıplarını, shunt direnç (rsh) ise
diyot kaçak akımından kaynaklanan kayıpları temsil etmektedir. PV hücrenin enerji
çevrim verimi şu şekilde tanımlanır:
(3.1)
Pm, hücrenin maksimum güç noktasındaki gücü, Pin ise hücreye gelen güneş ışınının
gücüdür.
25
Şekil 3.6 PV hücrelerin I-V karakteristiğini göstermektedir. Im maksimum güç
noktasındaki akım değerini, Vm maksimum güç noktasındaki gerilim değerini, Isc
hücrenin kısa devre akımını, Voc hücrenin açık devre gerilimini göstermek üzere
maksimum güç noktasını şu şekilde ifade edebiliriz:
Pmax = Im.Vm = FF. Isc. Voc (3.2) Buradaki FF, doluluk oranı (fill factor) olarak tanımlanır. FF, PV hücrenin kalitesi
hakkında bir göstergedir. İdealde FF=1 dir yani rsh= ∞ ve rs=0’dır. Ancak gerçek
uygulamalarda bu pek mümkün değildir. Tipik bir PV hücrenin FF’ü teknolojisine
bağlı olarak 0.5 ile 0.82 arasında değişebilmektedir. FF’ünü iyileştirmek için gerçek
akımın kaçak akıma oranını yükseltmek yani seri direnci azaltıp shunt direncini
artırmak gerekmektedir [4].
Şekil 3.6. Bir PV hücrenin I-V karakteristiği
26
4.GÜNEŞ TAKİP SİSTEMLERİ
Güneş takip sistemlerinin çalışma şeklini ayçiçeklerine benzetebiliriz. Ayçiçeklerinin
sürekli güneşe doğru bakması gibi bu sistemler de güneşin hareketini takip
etmektedir. Bu yönüyle güneş takip sistemleri için “elektromekanik ayçiçeği” tabirini
de kullanabiliriz.
4.1. Güneş Takip Sistemlerinin Sınıflandırılması
Güneş takip sistemlerini aşağıdaki şekilde sınıflandırabiliriz: 1)Takip eksenine göre; a)Tek eksen kontrollü b)Çift eksen kontrollü 2)Kontrol mekanizmasına göre; a)Yerçekimini kullanan çözümler b)Açık döngü (open loop) sistemler c)Kapalı döngü( closed loop) sistemler
Tek eksen ve çift eksenli takibin verimlerine ilişkin kıyaslama ileriki bölümlerde
yapılacağından burada sadece kontrol mekanizmasına göre takip sistemi
çeşitlerinden bahsedilecektir.
4.1.1. Yerçekimini kullanarak çalışan sistemler
Bu sistemlerde panellerin sağ ve sol kenarlarına yerleştirilmiş ve içerisinde özel bir
sıvı olan iki adet tüp bulunmaktadır (Resim 4.1).
Resim 4.1. Yerçekimi özelliğine göre çalışan sistemlere iki örnek
27
Bu tüpler birbiriyle bağlantılı olup birbirleri arasında sıvı geçişi olmaktadır. Tüplerin
içerisinde bulunan sıvı ısıya karşı hassas ve genleşme katsayısı yüksektir. Paneller
öncelikle ağırlık merkezine göre dengeli bir şekilde yerleştirilmektedirler. Daha
sonra bu sıvı tüplerinden daha fazla güneş ışınına maruz kalan taraftaki sıvı
genleşerek karşı tüpe doğru akmakta ve böylece panelin ağırlık merkezi kaydırdığı
için panel, güneşe doğru hareket etmektedir. Güneş ışınları panel yüzeyine dik
gelinceye kadar panel hareketine devam etmektedir (Şekil 4.2).
(a) (b)
(d)
(c)
Şekil 4.1. (a) Panel, geceden batıya bakar şekilde kalmış, sabah güneş alttaki tüpe daha fazla güneş ışını gelmekte ve sıvı yukarı kaba doğru genleşmekte (b) Güneş ışınları her iki tüpe eşit miktarda gelinceye kadar panel dönmekte (c) Güneş hareket ettikçe belli bir açıyla panel de güneşi takip etmekte (d) Panel, akşam batıya dönük olarak kalmakta
Batı Doğu Doğu Batı
Doğu Batı
Doğu Batı
28
Güneş takibi için herhangi bir elektriksel aksam gerektirmeyen be sistemlerde takip
genellikle tek eksende yapılmaktadır. Rüzgarın olumsuz etkisini azaltmak için
hidrolik damper kullanılmaktadır.
4.1.2. Açık döngü sistemler
Aslında dünyanın herhangi bir noktası için güneşin yılın herhangi bir günü ve
saatinde hangi koordinatlarda olacağı bellidir. Bu düşünceden hareketle güneşin
yerini tespit etmek amacıyla sensör kullanılmasına gerek duymadan koordinat
bilgilerine göre güneş takibi yapan mikroişlemci kontrollü sistemler bu gruba
girmektedir (Şekil4.1).
Şekil 4.2. Açık döngü sistemlerin blok diyagramı
4.1.3. Kapalı döngü sistemler
Çeşitli sensörler vasıtasıyla güneşin yerini tespit ederek panellerin güneşe doğru
yönelmesini sağlayan sistemlerdir. Bu sistemlerde geri besleme olduğu için kapalı
döngü olarak adlandırılmışlardır. Gerçekleştirdiğimiz devre bu gruba girmektedir
(Bkz. Resim 5.4).
4.2. Güneş Takip Sistemlerinin Gerekliliği
Şekil 4.2’de yatay bir düzleme çeşitli açılarla gelen direkt ve dağınık ışınımlar
görülmektedir. Burada biz daha çok direkt ışınımla ilgileneceğiz. Yatay zemine z
gelme açısıyla gelen ışının birim yüzeye düşen anlık ışıma şiddeti [1] :
Iz= I.cos z ‘dir (4.1)
MOTOR Kontrol Birimi
Koordinat bilgisi Saat/Tarih bilgisi
29
Eş. 4.1’de görüldüğü gibi bir yüzeye güneş ışını ne kadar dik gelirse birim yüzeye
düşen ışıma şiddeti o kadar yüksek olacaktır. İşte bu noktada güneş takip
sistemlerinin kullanım gereklilikleri ortaya çıkmaktadır. Güneş takip sistemlerinin
kullanım amacı; güneş ışınlarının yüzeye sürekli dik gelmesini sağlayarak elde
edilen enerji miktarını artırmaktır.
Şekil 4.3. Yatay bir düzlemde güneş ışınımı [1]
4.3. Güneş Takip Sistemlerinin Verimi
Bir önceki bölümde belirtildiği gibi güneş takip sistemlerini kullanım amacı elde
edilen enerji miktarını artırmaktır. Bu artışın ne kadar olacağı da önemli bir husustur.
Bu konuyla ilgili olarak ABD Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuarı (NREL)
tarafından elde edilen bazı şehirlere ilişkin güneş ışınımı şiddeti, tek eksende ve çift
eksende güneş takibi yapılması durumunda elde edilen enerji artışı verileri Çizelge
4.1-4.3’de sunulmuştur.
Çizelge 4.1’den aşağıdaki sonuçları çıkarabiliriz:
Yatay düzlem
Direkt ışınım
Dağınık ışınım
Yüzey normali
30
• Güneş takibi yapılmayan sabit durumda ; 5,5 kWh/m2 yıllık ortalama ışıma enerjisi
elde edilmektedir.
• 1-eksende takip yapılırsa; 7,2 kWh/m2 yıllık ortalama ışıma enerjisi elde
edilmektedir. Bu, sabite göre (7,2-5,5)/5,5= %30,9 artış demektir.
• 2-eksende takip yapılırsa; 7,4 kWh/m2 yıllık ortalama ışıma enerjisi elde
edilmektedir. Bu, sabite göre (7,4-5,5)/5,5=%34,5 artış demektir.
Çizelge 4.1. Denver, CO şehrinin Aylara Göre Ortalama Günlük Güneş Işınımı, kWh/m2, Enlem: 39°45’ N Boylam: 104°52’ W [4]
Ay Ocak Şubat Mart Nisan Mayıs Haz. Tem. Ağs. Eylül Ekim Kas. Ara. ORT.
Sabit 3,8 4,6 5,4 6,1 6,2 6,6 6,6 6,3 5,9 5,1 4,0 3,5 5,4 Panel yere enlem-15° açısıyla eğimli
1-eksenli takip
4,8 5,9 7,0 8,1 8,4 9,1 9,1 8,6 7,9 6,7 5,0 4,4 7,1
Sabit 4,4 5,1 5,6 6,0 5,9 6,1 6,1 6,1 6,0 5,6 4,6 4,2 5,5 Panel yere enlem açısı kadar eğimli
1-eksenli takip
5,2 6,2 7,2 8,0 8,1 8,8 8,7 8,4 7,9 7,1 5,5 4,9 7,2
Sabit 4,8 5,3 5,6 5,6 5,2 5,2 5,3 5,5 5,8 5,7 4,8 4,5 5,3 Panel yere enlem+15° açısı kadar eğimli
1-eksenli takip
5,5 6,4 7,1 7,7 7,7 8,2 8,2 8,0 7,8 7,1 5,7 5,2 7,1
Panel Tam Yatay 2,4 3,3 4,4 5,6 6,2 6,9 6,7 6,0 5,0 3,8 2,6 2,1 4,6
Panel Güneye Bakıyor ve Yere Tam Dik
4,5 4,6 4,3 3,6 2,8 2,6 2,7 3,2 4,0 4,6 4,4 4,3 3,8
2-Eksende Takip 5,6 6,4 7,2 8,1 8,5 9,4 9,2 8,6 8,0 7,1 5,7 5,3 7,4
31
32
Çizelge 4.2. Fransa-Paris şehrinde Ortalama Günlük Güneş Işınımı, kWh/m2, Enlem: 48°49’ N Boylam: 2°30’ E [4]
Panel yere enlem-15° açısıyla eğimli
Panel yere enlem açısı kadar eğimli
Panel yere enlem+15° açısı kadar eğimli
Ay
Sabit 1-eksenli takip
Sabit 1-eksenli takip
Sabit 1-eksenli takip
2-Eksende Takip
Ocak 1,77 1,77 2,06 2,06 2,24 2,24 2,24
Şubat 2,47 2,54 2,75 2,82 2,91 2,94 2,94
Mart 3,75 4,56 3,90 4,79 3,88 4,69 4,81
Nisan 4,32 6,02 4,25 5,99 4,04 5,54 6,06
Mayıs 5,01 7,39 4,78 7,05 4,41 6,22 7,41
Haziran 5,37 8,04 5,05 7,50 4,61 6,45 8,10
Tem. 5,14 7,66 4,87 7,21 4,47 6,28 7,69
Ağustos 4,59 6,60 4,45 6,46 4,18 5,87 6,62
Eylül 3,95 5,04 4,02 5,19 3,93 4,98 5,20
Ekim 2,74 3,01 2,95 3,27 3,02 3,31 3,33
Kasım 1,71 1,71 1,95 1,95 2,11 2,11 2,11
Aralık 1,56 1,56 1,83 1,83 2,02 2,02 2,02
ORT. 3,53 4,66 3,57 4,68 3,49 4,39 4,88
Çizelge 4.2’den aşağıdaki sonuçları çıkarabiliriz:
Güneş takibi yapılmayan sabit durumda; 3,57 kWh/m2 yıllık ortalama ışıma enerjisi
elde edilmektedir.
1-eksende takip yapılırsa; 4,68 kWh/m2 yıllık ortalama ışıma enerjisi elde
edilmektedir. Bu, sabite göre (4,68-3,57)/3,57= %31,1 artış demektir.
2-eksende takip yapılrsa; 4,88 kWh/m2 yıllık ortalama ışıma enerjisi elde
edilmektedir. Bu, sabite göre (4,88-3,57)/3,57=%36,7 artış demektir.
33
Çizelge 4.3. Avustralya-Melbourne şehrinde Ortalama Günlük Güneş Işınımı, kWh/m2, Enlem: 37°49’ S Boylam: 144°58’ E [4]
Panel yere enlem-15° açısıyla eğimli
Panel yere enlem açısı kadar eğimli
Panel yere enlem+15° açısı kadar eğimli
Ay
Sabit 1-eksenli takip
Sabit 1-eksenli takip
Sabit 1-eksenli takip
2-Eksende Takip
Ocak 7,15 9,95 6,60 9,39 5,78 8,19 9,99
Şubat 6,37 8,63 6,07 8,44 5,51 7,68 8,65
Mart 3,96 5,38 3,94 5,53 3,74 5,30 5,54
Nisan 4,14 5,06 4,41 5,49 4,45 5,55 5,58
Mayıs 3,51 3,93 3,96 4,49 4,20 4,74 4,76
Haziran 3,13 3,32 3,65 3,90 3,96 4,22 4,27
Temmuz 3,31 3,61 3,80 4,19 4,08 4,48 4,51
Ağustos 3,72 4,37 4,05 4,85 4,17 4,99 4,99
Eylül 4,61 5,89 4,72 6,17 4,59 6,04 6,19
Ekim 5,36 7,27 5,18 7,22 4,77 6,68 7,32
Kasım 5,37 7,62 5,01 7,25 4,45 6,39 7,63
Aralık 5,93 8,45 5,45 7,88 4,77 6,78 8,51
ORT. 4,71 6,21 4,74 6,23 4,54 5,92 6,50
Çizelge 4.3’den aşağıdaki sonuçları çıkarabiliriz:
Güneş takibi yapılmayan sabit durumda; 4,74 kWh/m2 yıllık ortalama ışıma enerjisi
elde edilmektedir.
1-eksende takip yapılırsa; 6,23 kWh/m2 yıllık ortalama ışıma enerjisi elde
edilmektedir. Bu, sabite göre (6,23-4,74)/4,74= %31,4 artış demektir.
2-eksende takip yapılrsa; 6,50 kWh/m2 yıllık ortalama ışıma enerjisi elde edilmektedir.
Bu, sabite göre (6,50-4,74)/4,74=%37,1 artış demektir.
Her üç çizelgeden ayrıca aşağıdaki sonuçlara ulaşmak da mümkündür: - Yaz aylarında, panelin eğim açısı düşükken (enlem-15°) diğer iki duruma göre
(enlem ve enlem+15°) daha çok enerji elde edilmektedir. Bunun sebebi açıktır; yaz
34
aylarında güneş ışınları daha dik açıyla geldiğinden panelin eğim açısı daha düşükken
ışınlar panele daha dik gelmektedir. (Tabii güney yarım kürede bulunan Melbourne
şehri için durum tam tersi).
- Kış aylarında, panelin eğim açısı yüksekken (enlem+15°) diğer iki duruma göre
(enlem ve enlem-15°) daha çok enerji elde edilmektedir. Bunun sebebi de gayet açıktır;
güneş ışınları kış aylarında daha eğimli açılarla geldiğinden panelin eğimi yüksekken
ışınlar daha dik vurmaktadır. (Tabii güney yarım kürede bulunan Melbourne şehri için
durum tam tersi).
- Yıllık güneş ışınımının ortalaması dikkate alındığında; panellerin yatayla yaptığı
enlem, enlem-15 ve enlem+15 derecelik eğimler arasında en uygun olan eğim açısının
enlem derecesine eşit olan durum olduğu görülecektir.
Sonuç olarak; her çizelgenin altında çıkartılan verim hesaplamalarına dikkat edilirse
görülecektir ki, güneş takibi yapılmayan sabit durumlarda elde edilen enerji
miktarlarına göre, 1-eksenli takip yapmak %31 civarında enerji kazancı sağlamaktadır.
2-eksenli takip yapmak %34-37 civarında enerji kazancı sağlamaktadır.
35
5. BİR GÜNEŞ TAKİP SİSTEMİ TASARIMI
5.1. Sistemin Genel Çalışma Prensibi
Tasarımımızda, Bölüm 4.3’de elde edilen bulguları da kullanarak tek eksende takip
yapmanın yeterli olduğuna karar verilmiştir.
Tasarımımız, Bölüm 4.1.3.’de açıklanan sensörlü kapalı döngü kontrol sistemi esasına
göre çalışacaktır. Sensör olarak Resim 5.1’de görülen iki adet küçük boyutlu güneş
panelini kullanıldı.
Resim 5.1. Tasarımda kullanılan sensör fotovoltaik hücreler 5.2. Sensör Olarak Kullanılan PV Hücreler Üzerinde Yapılan Ölçümler
Kullandığımız sensör güneş panelleri her ne kadar birbirine eşdeğer gibi gözükse de
yaptığımız ölçümlerde ufak farklılıklar gösterdikleri görülmüştür (Çizelge 5.1 ve Şekil
5.1). Sensör panellerin her ikisi de aynı yöne bakarken yapılan açık devre gerilim
ölçümü sonuçları Çizelge 5.1’de gösterilmektedir. Çizelge 5.1 ‘de görüldüğü gibi açık
devre gerilim değerleri arasında -30 mV ile +30 mV arasında değişen farklılıklar
36
olmaktadır. Güneş takibindeki hata payını oluşturan faktörlerin başında sensör
panellerdeki bu farklılık gelmektedir.
Çizelge 5.1. Sensör paneller aynı yöne bakacak şekilde sabitken gün boyu ölçülen açık devre gerilim değerleri.
Şekil 5.1. Sensör panellerin günün saatlerine göre açık devre gerilimleri
SAAT PANEL A (V) PANEL B (V) FARK(B-A) (V) 08:45 1,95 1,92 -0,03
09:05 1,981 1,97 0,011
09:30 1,947 1,927 -0,02
10:05 1,952 1,923 -0,029
11:30 1,82 1,83 -0,01
12:00 1,717 1,718 0,001
12:30 1,628 1,656 0,028
13:10 1,596 1,56 -0,036
13:50 1,56 1,46 -0,01
15:30 1,29 1,12 -0,17
17:35 0,67 0,97 0,3
18:30 0,18 0,55 0,37
19:00 0,043 0,076 0,033
Açık Devre Gerilimleri
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
09:00 11:24 13:48 16:12 18:36 Saat
Voltaj Panel A Panel B
37
Kullandığımız sensör panellerin karakteristikleri hakkında daha ayrıntılı verilere
ulaşmak için maksimum güç noktası ve kısa devre akımına ilişkin bazı ölçümler
yapılmıştır.
Çizelge 5.2. A paneli üzerinde iki farklı ışık şiddeti altında yapılan maksimum güç
noktası ölçüm sonuçları
MAKSİMUM GÜÇ NOKTASI ÖLÇÜMLERİ (PANEL A)
Voltaj(V) Akım(mA) Güç(mW) Yük(ohm)
1,2 0 0 açık devre
1 0,85 0,85 2000
0,97 1,25 1,2125 1000
0,78 1,80 1,404 500
0,59 2,18 1,2862 300
0,35 2,58 0,903 150
0,26 2,75 0,715 100
0,14 2,9 0,406 50
I. Ölçü
m
0,07 3 0,2233 kısa devre
1,82 0 0 açık devre
1,74 5,4 9,396 320
1,65 14 23,1 150
1,53 18 27,54 100
1,08 23 24,84 50
II.Ölçü
m
0,07 27 1,89 kısa devre
Çizelge 5.2’e dikkat edilirse; I.Ölçüm ve II.Ölçüm adı altında iki farklı ölçüm
yapılmıştır. Bu iki ölçüm arasındaki fark; uygulanan ışık şiddetidir. II.Ölçüm,
I.Ölçüme oranla daha yüksek şiddetli ışık altında yapılmıştır. Işık şiddeti değişimi, 100
W’lık seyyar ampulü yakınlaştırıp uzaklaştırarak sağlanmıştır. Çizelge 5.2’deki
verilere göre A sensör panelinin akım-gerilim karakteristiği Şekil 5.2’de
gösterilmektedir.
Çizelge 5.2 ve Şekil 5.2’de görüldüğü gibi, sensör panellerin maksimum güç noktası
gelen ışık şiddetine göre değişmektedir. Daha düşük ışık seviyesi uygulanan I.ölçümde
A panelinin maksimum güç noktası yaklaşık 500Ω’luk yük altında elde edilirken,
38
II.ölçümde yaklaşık 100Ω’luk bir yük altında elde edilmektedir. Aynı durum Çizelge
5.3’de ölçüm sonuçları gösterilen B paneli için de doğrudur.
Şekil 5.2. Çizelge 5.2’deki verilere göre A panelinin akım-gerilim karakteristiği
Çizelge 5.3. B paneli üzerinde iki farklı ışık şiddeti altında yapılan maksimum güç noktası ölçüm sonuçları
MAKSİMUM GÜÇ NOKTASI ÖLÇÜMLERİ, (PANEL B)
Voltaj(V) Akım(mA) Güç(mW) Yük(ohm)
1,2 0 0 açık devre
1 0,85 0,85 2000
0,95 1,22 1,159 1000
0,72 1,7 1,224 500
0,52 1,9 0,988 314
0,3 2,18 0,654 150
0,21 2,2 0,462 100
0,11 2,3 0,253 50
I.Ölçüm
0,05 2,4 0,12 kısa devre
1,82 0 0 açık devre
1,71 5 8,55 320
1,59 14 22,26 150
1,57 18 28,26 100
1,12 24 26,88 50
II.Ölçüm
0,07 27,9 1,953 kısa devre
Panel:A Akım-Voltaj Karekteristiği I.Ölçüm
00,20,40,60,8
11,21,41,6
0 1 2 3 4
Akım(mA)
Voltaj
(V)-G
üç(
mW
)
Voltaj
Güç
Panel:A Akım-Voltaj KarekteristiğiII.Ölçüm
0
5
10
15
20
25
30
0 5 10 15 20 25 30
Akım(mA)
Güç(
mW
)
Voltaj
(V)
Güç
Voltaj
39
Çizelge 5.3’deki veriler Şekil 5.3’de grafiksel olarak gösterilmektedir.
Şekil 5.3. Çizelge 5.3’deki verilere göre B panelinin akım-gerilim karakteristiği
Maksimum güç noktası ölçümleri bize şu sebeple gerekmektedir; tasarımda sensör
panellerin akım değerleri kıyaslanacağından, ürettikleri akımı bir yük üzerinden
geçirerek gerilime çevireceğiz. Bu işlemi yaparken sensörün I-V karekteristiğinin
doğrusal (lineer) bölgesinde çalışabilmek için bağlayacağımız yükün maksimum güç
noktası elde edilen yük değerinden daha küçük olması gerekmektedir. Buradaki
doğrusallık, ışık şiddeti ile panel akımı arasındaki doğrusal ilişkidir.
Güneş takip sisteminde bizim için önemli olan diğer bir parametre de panellerin kısa
devre akımlarının güneş açısıyla nasıl değiştiğidir. Bu amaçla yapılan ölçüm sonuçları
Çizelge 5.4’de gösterilmektedir.
Panel:B Akım Voltaj Karakteristiği II.Ölçüm
0
1
2
0 2 4 6 8 101214161820222426
Akım(mA)
Vo
ltaj
(V)
0
20
40
Gü
ç(m
W)
akım voltaj karakteristiği Güç
Panel:B Akım Voltaj KarekteristiğiI.Ölçüm
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
0 0,5 1 1,5 2 2,5
Akım(mA)
Vo
lta
j(V
)
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
Gü
ç(m
W)
Voltaj
Güç
40
Çizelge 5.4. Sensör panellerin güneş ışınlarının gelme açısına göre açık devre gerilimi ve kısa devre akım değerleri
Panel B Panel A Gelme Açısı Voc (V)
Isc (mA) Güç (mW)
Gelme Açısı Voc (V) Isc (mA)
Güç (mW)
0 1,95 42 81,9 0 1,965 41,9 82,33
15 1,938 41,9 81,2 15 1,95 40,5 78,975
30 1,92 40 76,8 30 1,925 38 73,15
45 1,89 36 68 45 1,895 34 64,43
60 1,85 31 57,35 60 1,851 29 53,679
75 1,75 26 45,5 75 1,791 25 44,775
90 1,6 21,8 34,88
90 1,618 21,8 35,27
Çizelge 5.4’deki açı-güç ilişkisi grafiksel olarak Şekil 5.4’de gösterilmektedir. Şekil
5.4’de görüldüğü gibi panelin gücü, ışığın gelme açısı yükseldikçe düşmektedir. Güneş
takip sisteminin enerji kazancını hesaplamak için şöyle bir yaklaştırma yapabiliriz:
Eğer güneş paneli sabit olursa üreteceği enerji miktarı Şekil 5.4’deki grafiğin altında
kalan alan kadar olacaktır. Ancak, güneşi takip etmesi sağlanırsa üreteceği enerji
miktarı kesikli çizginin altında kalan alan kadar olacaktır.
Şekil 5.4’ de kesikli çizginin altında kalan alanı 100 br2 kabul edersek grafiğin altında
kalan alan ;
-B paneli için 78 br2’dir.
-A paneli için 72 br2’dir.
Yani güneş takibi yapıldığında sisteminin enerji kazancı yaklaşık olarak;
B paneli için (100- 78)/78 x100 =% 28 olmaktadır.
A paneli için (100- 72)/72 x100 =% 38 olmaktadır.
Hesaplanan bu kazanç değerleri yapılan diğer çalışmalarla (Bkz. Çizelge 4.1-4.3)
uyum göstermektedir.
41
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 20 40 60 80 100
Gelme Açısı (derece)
Gü
ç (
mW
)
Güç (mW)- Panel B
Güç (mW)- Panel A
Şekil 5.4. Gelen ışığın açısına göre sensör panellerin gücü
5.3. Sensör Paneller Arasındaki Optimum Açının Tespiti Sensör panellerimizin arasını ayarlayacağımız açı değeri tasarımımızda önemli bir
hususdur. Resim 5.2’de görüldüğü üzere sensör panelleri dört farklı şekilde
yerleştirerek çeşitli ölçümler yapılmıştır (Çizelge 5.5).
(a) (b) Resim 5.2. Sensör paneller arasındaki çeşitli açı şekilleri, (a) 90° dışa dönük (b) 90°
içe dönük
42
(c) (d)
Resim 5.2. (devam) Sensör paneller arasındaki çeşitli açı şekilleri (c) 60° dışa dönük (d) Sırt sırta (180°)
Çizelge 5.5. Paneller birbiri ile yaptığı çeşitli açılarda güneşin bazı sapma açılarına
göre panellerin açık devre gerilim ölçümleri
Paneller Birbirine Dik Ve Dışa Dönük (Resim 5.2 (a)) Ölçüm saati:12:00 A Paneli B Paneli Gerilim
Farkı Açı Farkı
1,608 1,895 -0,287 -30 1,788 1,88 -0,092 -15 1,889 1,862 0,027 0 1,9 1,76 0,14 15 1,925 1,56 0,365 30
Paneller Sırt Sırta Ve Dışa Dönük (Resim 5.2 (d)) Ölçüm saati:17:45 A Paneli B Paneli Gerilim
Farkı Açı Farkı
0,8 1,8 -1 -30 0,95 1,64 -0,69 -15 1,4 1,2 0,2 0 1,8 1,05 0,75 15 1,97 0,98 0,99 30
Bu ölçümlerdeki amacımız güneşin belli bir sapma açısı karşısında panellerin hangi
pozisyonunun bize daha hassas gerilim farkı bilgisi verdiğini tespit etmektir.
Çizelge 5.5 incelendiğinde aşağıdaki sonuçları çıkarabiliriz:
Paneller Birbirine Dik Ve İçe Dönük (Resim 5.2 (b)) Ölçüm saati: 10:30 B Paneli A Paneli Gerilim
Farkı Açı Farkı
1,79 2,01 0,22 -30° 1,9 2 0,1 -15° 1,96 1,99 0,03 0° 1,99 1,92 -0,07 15° 2,03 1,74 -0,29 30°
Paneller Arası 60° ve Dışa Dönük (Resim 5.2 (c)) Ölçüm saati :17:35 A Paneli B Paneli Gerilim
Farkı Açı Farkı
1,28 1,98 -0,7 -30 1,68 1,96 -0,28 -15 1,9 1,87 0,03 0 1,96 1,74 0,22 15 1,99 1,39 0,6 30
43
- Güneşin aynı miktardaki sapması için; paneller arasındaki açı ne kadar küçük olursa
oluşan gerilim farkı o kadar büyük olmaktadır. Örneğin 15º’lik sapma için panellerin
arasındaki açı 90 iken -0,07V ve 0,014V, 60 iken 0,22V, 180 (sırt sırta) iken 0,75V
gerilim farkları oluşmaktadır. Bu durumun oluşması teorik hesaplamalarımızla da
uyuşmaktadır. Nitekim, aşağıda güneşin β açısı kadar sapması neticesinde oluşacak
gerilim farkının paneller arasındaki açıya (α) bağlı olarak nasıl değiştiğine ilişkin
bağıntı çıkarılmıştır.
- Güneş ışınları her iki panele eşit açıyla geldiğinde (yani açı farkı 0º iken) gerilim
farkı 0 (sıfır) olması gerektiği halde farklı sonuçlar çıkmaktadır. Bu farklı sonuçlara
ofset hatası ismini verirsek ofset hatasının en fazla olduğu durum panellerin arasının
en açık olduğu durum olan sırt sırta yerleşim durumu olduğu görülür.
Şekil 5.5. Sensör panellere güneşin belli bir sapma açısında gelen direkt ışınım
α 90-α/2 β
β α/2
I1
I1 I2
I2
A Paneli B Paneli
Şekil 5.6. Sensör panellere güneşin belli bir sapma açısında gelen direkt ışınım
A Paneli
B Paneli
α
β I1
I2
Güneş
44
Güneş dik iken A ve B panellerinde üretilen akım;
Ea1=Eb1=η*I1 * cos (90-α/2) = η *I1* sin (α/2) şeklinde gösterilebilir.
η: verim
Güneş β açısı kadar hareket ettiğinde A panelinde oluşan akım ;
Ea2= η*I2 * cos (90-α/2+ β) = η*I2* cos (90-(α/2- β))= η*I2* sin (α/2- β)
B panelinde oluşan akım ;
Eb2= η*I2 * cos (90-(α/2+ β)) = η*I2* sin (α/2+ β)
İki panelde üretilen akımların farkı;
Eb2 - Ea2 = η*(I2* sin (α/2+ β) - I2* sin (α/2- β))
= η*(I2*[ sin (α/2+ β)- sin (α/2- β)])
= η*(I2*[sin α/2*cos β + sin β* cos α/2 - sin α/2*cos β + sin β* cos α/2])
Eb2 - Ea2 = 2 η* I2*sin β * cos α/2 (5.1)
bağıntısı elde edilir. Burada sin β sabit bir değerdir. Dolayısıyla oluşacak akım farkı
ışık şiddetine, verime ve α’ya bağımlı olarak değişmektedir. Şimdi bu bağıntı üzerine
yorum yaparsak şu sonuçlara ulaşabiliriz;
- Işık şiddeti artarsa akım farkı da artar,
- Panellerin verimi artarsa akım farkı artar,
- Paneller arasındaki açı küçüldükçe cos α/2 artar, dolayısıyla akım farkı da artar.
- Cos (-α)=cos α olduğundan panellerin içeriye dönük veya dışarıya dönük olması bir
fark oluşturmamaktadır. Ancak, bu husus sadece direkt ışınımları dikkate aldığımız bu
şart altında geçerlidir. Gerçek hayatta direkt güneş ışınımının yanı sıra atmosferden,
çevredeki yansıtıcı cisimlerden vs. gelen birçok dağınık güneş ışını olmasından dolayı
panellerin içeriye veya dışarıya dönük olması arasında farklı sonuçlar elde edilecektir.
45
Eş. 5.1.’deki ifadenin maksimum noktasını bulmak için α’ya göre türev alıp 0’a
eşitlememiz gerekir.
d/dα(Eb2 - Ea2)= d/dα(2*I2* sin β* cos α/2)= I2* sin β*sin α/2=0
sin α/2=0
α=0° veya α=180°
Bu sonuca göre; güneşin belli miktar hareketi sonucu her iki panelin ürettiği akımlar
arasındaki farkın maksimum olması için bu iki panel arasındaki açıyı 0 derece veya
180 derece yapmamız yani bunları sırt sırta veya yüz yüze getirmemiz gerekmektedir.
Bu sonuç yapılan ölçümlerle de uyuşmaktadır (Bkz. Çizelge 5.5).
Yukarıdaki değerlendirmeler ışığında şu sonuca ulaşılmıştır;
Sensör panellerin sırt sırta yerleşimi durumunda çevredeki dağınık ışınımdan fazla
etkilenmesi ve ofset farkının yüksek olması sebebiyle daha dar açılı bir yerleşim uygun
olacaktır. Ayrıca dış etkenlerin oluşturacağı bozucu etkiyi azaltmak amacıyla içe
dönük bir yerleşim yapılması daha uygundur. Bu sebeplerle tasarımda sensörler 90’lik
açıyla içe dönük olarak yerleştirilmiş olmakla beraber monte edildikleri düzlem bu
açının ayarlanabilmesine imkan sunmaktadır (Bkz. Resim 5.3).
5.4. Devre Şeması ve Çalışma Prensibi
Gerçekleştirilen tasarımın blok diyagramı ve devre şeması Şekil 5.7 ve Şekil 5.8’de
gösterilmektedir. Sistemimizde üç adet sensör kullanılmıştır(Bkz. Resim 5.3).
Bunlardan ikisi, güneşin yerini tespit etmek amacıyla birbirine dik yerleştirilmiş iki
fotovoltaik hücre, diğeri ise gece gündüz ayrımını yaparak gece olduğunda otomatik
olarak sistemin doğuya dönmesini sağlamak amacıyla kullanılan bir foto dirençtir.
Fotovoltaik hücrelerden güneşi daha dik açıyla gören, diğerine göre daha fazla akım
üretmektedir. Devre, oluşan bu akım farkını yükselterek referans gerilimiyle
46
kıyaslamakta ve eğer referans geriliminden yüksek ise farkı azaltacak şekilde motorun
dönmesini sağlamaktadır. Bu şekilde sensörlerin akım değerleri arasındaki fark
minimum olduğunda sistem güneşe yönelmiş olmaktadır.
Devre dizaynında dikkat edilecek bazı önemli hususlar şunlardır:
- Sensör panellerin akımının ölçülmesi, - Ölçülen akım değerlerinin farkının alınarak yükseltilmesi, - Fark yükseltecinin kazancının ayarlanabilmesi, - Fark sinyalinin bir referans sinyalle kıyaslanması, - Fark sinyalinin işareti pozitif veya negatif oluşuna göre motorun döneceği yönün
tespit edilmesi, - Histeresis aralığı oluşturulması, - Gece doğuya tekrar dönmesi, - Sınır noktalara anahtar konması,
5.4.1 Sensörler
Sensör olarak kullandığımız fotovoltaik hücreler ve fotodirenç Resim 5.3’de
gösterilmektedir. Görüldüğü gibi fotodirenç sürekli güneşe bakacak şekilde
yerleştirilmişken PV sensörler Bölüm 5.3’de de açıklandığı gibi birbirine dik olacak
şekilde yerleştirilmiştir.
Resim 5.3. Sensörlerin yerleşim şekli
47
Sensör panel 1
Sensör panel 2
Sensör fotodirenç
Akım Gerilim çevirici
Akım Gerilim çevirici
Endüstram
antasyon fark yükselteci
Pozitif Gerilim kıyaslayıcı
Negatif Gerilim kıyaslayıcı
Motor sürme devresi
Motor
Motor kolu (geri besleme )
SİSTEM BLOK DİYAGRAMI
Şekil 5.7. Gerçekleştirilen tasarımın devre blok diyagramı
48
DEVRE ŞEMASI
1k
S2
S1
Kazan25k 40%
C61uF
C51uF
PanelA110mA
PanelA10mA
C41uF
C31uF
M1
IN
COM
OUT
U778L05
12345678 9
10111213141516
U6L293DKazan1
5k 40%
2
3 84
7
1
U5LP311
2
3
84
7
1
U4LP311
+Batarya12V
+Batary212V
IN
COM
OUT
U378L05
Kazanç10k 1%
12345678 9
10111213141516
U2INA103
5
6 84
7+
U1BLM358
3
2 84
1+
U1ALM358
histere20k
R4
R3500
R820k
R720k
motorsa10k
motorso3k
histere20k
R2100
R1100
Şekil 5.8. Gerçekleştirilen tasarımın devre şeması
49
Fotovoltaik sensörlerin kısa devre akım değerini mi yoksa açık devre voltaj
değerlerini mi kullanmamızın daha uygun olacağını ortaya çıkarmalıyız. Bu amaçla
PV hücrelerin I-V karakteristiklerini incelememiz gerekmektedir.
Şekil 5.9’dan görüldüğü gibi kısa devre akımı güneş ışınımıyla doğrusal bir şekilde
değişmekteyken açık devre voltajındaki değişim doğrusal değildir ve küçük
ölçeklidir. Dolayısıyla devremizin tasarlarken sensörlerin kısa devre akımlarını esas
almamız daha uygun olmaktadır.
Şekil 5.9. PV hücrelerin I-V karakteristiği
5.4.2 Sensör PV hücrelerin kısa devre akımlarının ölçülmesi:
Sensörlerin uçlarından kısa devre akımını ölçmek açık devre voltajlarını ölçmekten
daha zordur. Çünkü açık devre voltajlarını panellerin iki çıkış ucundan direkt
alabilmekteyiz. PV panellerin kısa devre akımını elde etmek ve bunu gerilime
çevirmek amacıyla tasarımımızda kullandığımız yöntem şekil 5.10’da
gösterilmektedir. Ayrıca bu devre ile elde ettiğimiz gerilim yükten bağımsız
olmaktadır. Yani, elde edeceğimiz çıkış gerilimleri bağlayacağımız yüke göre
değişmeyecektir.
Şekil 5.10’da gösterilen devrede akım kaynağı simgesiyle gösterilen devre elemanı
sensör PV sensörlerdir.
Hücre voltajı, V
Hücre akım
ı, A
Gerçek hücre
50
PanelA
3
2 84
1+
LM358
+V
V15V
Vo
R5100
Şekil 5.10. PV sensörlerin kısa devre akımlarının gerilime dönüştürülmesi
LM358 Opamp’ın (Ek-2) bir girişi toprağa bağlanırken diğer girişi PV sensörün
negatif ucuna bağlanmaktadır. Negatif uca bağlanmasının sebebi, akımın 100 ohmluk
R5 direnci üzerinden toprağa doğru akması sağlanarak Vo çıkış voltajının pozitif
olmasını sağlamaktır. PV sensörün diğer ucu toprakla irtibatlandırılarak kısa devre
akımının 100 ohmluk direnç üzerinden akması sağlanmaktadır. Böylece hem PV
sensörlerin kısa devre akımlarını elde etmiş olmaktayız hem de bu değeri 100
ohmluk direnç üzerinden voltaja çevirmekteyiz. Bu devrenin çıkışında elde ettiğimiz
Vo çıkış gerilimini şu şekilde ifade edebiliriz:
Vo= 100 x I kısa devre (5.2)
5.4.3 PV sensörlerden elde edilen gerilim değerlerinin kıyaslanması ve
yükseltilmesi
PV sensörlerin çıkışları Şekil 5.11’de gösterilen INA103 kodlu enstrümantasyon
yükseltecin girişine bağlanmaktadır (Ek-3). Enstrümantasyon yükselteç iki giriş
sinyalinin farkını alarak istenilen oranda yükseltip çıkışa vermektedir. Dolayısıyla bu
entegrenin çıkışı pozitif veya negatif olabilmektedir. Bu pozitiflik ve negatiflik önem
arz etmektedir. Çünkü, devre tasarımımızda motorun hangi yöne döneceğinin tespiti
bu sinyalin işaretine göre yapılmaktadır. Bir sonraki bölümde de açıklandığı gibi,
eğer bu sinyal pozitifse ve eşik geriliminden büyükse motor sağa dönecek, eğer
negatifse ve negatif eşik geriliminden mutlak değerce daha büyükse motor sola
dönecektir. Bu sebeple bu çıkış gerilimi devremizdeki en önemli elektrik sinyalidir.
51
Şekil 5.11. Enstrümentasyon Yükselteç, INA103
Burada kazanç oranı, entegreye dışarıdan bağlanan kazanç direncine göre aşağıdaki
formüle uygun olarak değişmektedir.
Kazanç = 1 + 6 kΩ/Rkazanç ( 5.3)
Tasarımımızda kazanç direnci olarak seri bağlı iki direnç kullandık. Bunlardan birisi
sabit 500 Ω değerinde iken, diğeri çok turlu hassas 10 kΩ değerinde bir ayarlı
dirençtir (Şekil 5.11). 500 Ω’luk sabit direnci kullanmamızın sebebi, kazanç ayarına
üst sınır koymaktır. Böylece ayarlı direncin çok küçük değerlere getirilmesi
durumunda diğer entegrelere zarar verecek yüksek kazanç oluşumu
engellenmektedir.
Şekil 5.11’de gösterilen kazanç dirençlerine göre ayarlı direnç vasıtasıyla Eş. 5.3’e
göre elde edebileceğimiz kazanç aralığı Çizelge 5.6’da gösterilmektedir. Ayarlı
direncimizi maksimum seviyesine getirdiğimizde minimum kazancı, minimum
seviyesine getirdiğimizde maksimum kazancı elde etmekteyiz. Çizelge 5.6’dan da
görüldüğü üzere kazanç aralığımız 1,57 ile 13 arasında değişmektedir. Bu kazanç
oranları devrede ne amaçla kullanılmakta ve ne anlama gelmektedir? Kazanç,
sistemin hassasiyet ayarı olarak kullanılmaktadır. Yani güneşi kaç derecelik bir
hassasiyetle takip edeceğimizi bu kazanç ayarı ile tespit etmekteyiz.
500
Vo
Vin2
Vin1
Kazanç10k 1%
R36k
R46k
R56k
3kR76k
3k
Opamp
Opamp
Opamp
52
Çizelge 5.6. Direnç ayarına göre kazanç aralığımız Ayarlı Direnç (Ω) Toplam Kazanç
Direnci (Ω) Kazanç
0 500 13 Maksimum 500 1000 7 1000 1500 5 2000 2500 3,4 3000 3500 2,7 6000 6500 1,9 10000 10500 1,57 Minimum
Enstrümantasyon yükseltecin diğer önemli özelliği de yüksek giriş empedansına
sahip olmasıdır. Bu sayede girişine bağlanan gerilim değerleri açık devreye
bağlanmış gibi davranacak ve yüke göre değişmeyecektir.
Enstrümantasyon yükselteç olarak Şekil 5.11’deki devreyi içeren INA103 entegresini
kullandığımızı belirtmiştik. Aslında bağımsız opamplar kullanarak enstrümantasyon
yükselteci oluşturabilirdik ancak bu yöntemi ekonomik olmasına rağmen seçmedik.
Çünkü, bu tip devrelerde hassasiyet önem arz etmektedir. Kullanılan eşdeğer
dirençler arasında fark olmamalıdır, ofset hatası minimum seviyede olmalıdır. Bu
sebepten hazır entegre kullandık.
5.4.4. Gerilim Kıyaslayıcılar
Sensör panellerin akımlarından elde ettiğimiz gerilim değerleri enstrümantasyon
yükselteçte farkları alınıp yükseltildikten sonra belli bir eşik gerilimi ile kıyaslanarak
eşik gerilim değerinden yüksek olması halinde motorun dönmesi için bir sonraki
kademeyi aktif hale getirmelidir. Bu amaçla gerilim kıyaslayıcı olarak LM 311
entegresi kullandık (Ek-4).
Eşik gerilimlerin üretilmesi
Gerilim kıyaslayıcıya referans oluşturacak olan eşik gerilimlerin elde edilme şekli
Şekil 5.12’de gösterilmektedir.
53
+
12V
+
12V
5k 12%
20k
20k
5k 4%
Vesikpoz
Vesikneg
Şekil 5.12. 12V’luk seri bağlı iki bataryadan pozitif ve negatif eşik gerilimlerinin
elde edilmesi
Şekil 5.12’de görüldüğü üzere 12 Voltluk iki adet batarya birbirine seri bağlanmış ve
ortak noktaları topraklanmıştır. Böylece toprağa göre +12V ve -12V’luk gerilim
kaynakları elde edilmiştir. -12V’luk gerilime iki sebepten ihtiyacımız vardır.
Birincisi, devremizde kullandığımız bazı entegrelerin pozitif ve negatif olmak üzere
çift kaynaktan beslenme gerekliliğidir. Diğeri ise, PV panellerin gerilimlerinin
farkını yükselten enstrümantasyon yükseltecin çıkışı pozitif ve negatif
olabilmektedir. Bu sebeple gerilim kıyaslama devremizde hem pozitif eşik gerilimi
hem de negatif eşik gerilimi oluşturmamız gerekmektedir.
Şekil 5.12 incelendiğinde görülecektir ki, eşik gerilimler elde edilirken hem sabit
20kΩ değerinde bir direnç hem de 5kΩ’luk ayarlı bir direnç kullanılmıştır. Burada
şöyle bir soru akla gelebilir; üç bacaklı bir trimpot kullanılarak bu gerilim bölme işi
tek elemanla ve daha geniş aralıkta yapılabilecekken gerçekleştirilen devrede hem
sabit hem değişken direnç kullanılmıştır, neden? Bunun nedeni; toplam direnç
değerini mümkün olduğu kadar yüksek tutarak devrede tüketilen akım miktarını en
aza indirmektir. Çünkü bu devrede amaç gerilim bölmek olduğundan akan akım ne
kadar küçük olursa o kadar iyidir. Şekil 5.12’deki devrede akacak olan akım değeri;
12V/(20kΩ + 5kΩ) = 0,48 mA’dir.
54
Bu akım değeri ayarlı direncin ayarından bağımsızdır. Ayarlı direncin ayarı sadece
elde ettiğimiz eşik gerilimini değiştirmektedir. Tasarımımızda ayarlı dirençleri
+300mV ve -300mV eşik gerilimleri elde edecek şekilde ayarladık.
Gerilim Kıyaslayıcılar
Gerilim kıyaslayıcılar, sensör panellerden elde edilen yükseltilmiş fark sinyalini
önceden ayarlanmış referans gerilimiyle kıyaslayarak referans geriliminden büyük
veya küçük olma durumuna göre bir sonraki entegreye mantıksal 1 veya 0 anlamına
gelen sinyal vermektedir (Şekil 5.13).
Şekil 5.13. Gerilim kıyaslayıcıların çalışma şekli animasyonu
Şekil 5.13’de bir gerilim kıyaslayıcının çalışma mantığı temsili olarak
gösterilmektedir. Pozitif giriş noktasına gelen giriş gerilimi referans geriliminden
düşük olduğunda çıkış toprak hattıyla kısa devre olmakta ve sıfıra yakın bir gerilim
değeri vermektedir. Aksi durumda ise çıkış Vcc gerilimine eşit olmaktadır.
Tasarımımızda kullandığımız gerilim kıyaslayıcı devresi Şekil 5.14’de
gösterilmektedir.
55
Vo
Vo
5V
5V
Vpanel
2
3
84
7
1LM311
2
3 84
7
1
LM311
Vesikpoz
Vesikneg
+12V
-12V
-12V
R210k
R13k
histere20k
histere20k
Şekil 5.14. Gerçekleştirilen gerilim kıyaslama devresi
Devredeki Vpanel gerilimi sensör panellerden alınan gerilim değerlerinin farkı alınıp
yükseltildikten sonra elde edilen gerilimdir. Dikkat edilirse iki adet gerilim
kıyaslayıcı kullanılmaktadır ve ikisine de giriş sinyali olarak Vpanel gelmektedir.
Ancak giriş sinyalinin bağlantı ucu her kıyaslayıcıda farklıdır yani üsttekinde
entegrenin 2 numaralı bacağına bağlıyken alttaki entegrede 3 numaralı bacağa
bağlıdır. Referans gerilimleri de benzer şekilde her iki kıyaslayıcıda birbirine ters
şekilde bağlanmıştır. Üstteki kıyaslayıcıda, fark sinyali pozitif olduğunda ve 300
mV’dan yüksek olduğunda çıkış gerilimi 5V (mantıksal 1) olmaktadır, aksi durumda
0.3 V (mantıksal 0) civarında olmaktadır. Alttaki kıyaslayıcıda ise fark sinyali -300
mV’dan mutlak değer olarak daha büyük olduğunda (Vpanel< -300 mV) çıkış gerilimi
5V (mantıksal 1) olmakta, aksi durumda ise 0.3 V (mantıksal 0) civarında
olmaktadır. Yani, Vpanel fark gerilimi pozitifken alttaki kıyaslayıcı çıkışa 0,3 V
vermekte, negatif iken üstteki kıyaslayıcı çıkışa 0,3 V vermektedir. Bu çıkış
değerleri bir sonraki kademede kullanılan entegrede mantıksal 1 veya 0 olarak
değerlendirilmektedir.
56
Kıyaslayıcı devresinde Vcc=5V gerilim kaynağı ile Vo çıkış gerilimleri arasında 3kΩ
ve 10 kΩ’luk dirençler kullanılmıştır. Bu dirençler, akım sınırlaması yapmak için
kullanılmıştır. Nitekim bu sayede, kıyaslayıcının çıkışı kısa devre olduğunda yani
Vo=0 olduğunda çıkış ucu üzerinden akacak olan akım yaklaşık 1,5 mA civarında
olmaktadır. Burada kullanılan direnç değeri belli bir değerin altında olmamalıdır.
Çünkü kullanılan entegrenin çıkış ucu kısa devre olduğunda üzerinden akacak
maksimum akım değeri spesifikasyonlarında 20mA olarak belirtilmektedir (Ek-4).
Dolayısıyla burada kullandığımız direnç değeri 250 ohm’dan büyük olmalıdır.
Gerilim kıyaslama devresine dikkat edilirse görülecektir ki üstteki kıyaslayıcıda bu
amaçla 3kΩ’luk direnç kullanılırken alttaki kıyaslayıcıda 10 kΩ’luk direnç
kullanılmıştır. Bu farklılığın sebebi Bölüm 5.4.6 “Sistemin Gece Doğuya Dönmesi”
kısmında açıklanmaktadır..
Gerilim kıyaslayıcı entegresi olarak LM311’i seçilmiştir. Bu amaçla kullanılabilecek
LM310 ve LM393 entegreler de vardır ancak LM311’in diğerlerinde olmayan ve
bize gerekli olan bir özelliği bulunmaktadır. Bu özellik; negatif giriş gerilimi kabul
etmesidir (Ek-4). Çünkü, devre şeması incelendiğinde görülecektir ki voltaj
kıyaslayıcı entegrelere pozitif sinyal gelebileceği gibi negatif sinyal de
gelebilmektedir. Bu sebeple bu özellik önem arz etmektedir. Hatta, ileriki bölümlerde
de açıklanacağı üzere motorun dönüş yönü, panellerin fark sinyalinin (Vpanel) bu
pozitif veya negatifliğine göre tespit edilmektedir.
Histeresis Aralığı Oluşturulması
Bir önceki bölümde gerilim kıyaslayıcılar açıklanırken ±300mV eşik gerilim
seviyelerinden bahsedilmişti. Eğer Vpanel fark sinyalinin seviyesi 300 mV’un
üzerindeyse veya -300mV’dan daha negatif ise ilgili gerilim kıyaslayıcı gerilim
farkını azaltacak yönde hareket etmektedir. Fark sinyali ±300mV aralığına
düştüğünde motor durmaktadır. Bu durum aşağıda fonksiyon olarak gösterilmiştir.
57
-300 mV
300 mV
(a)
Sağa dön , Vpanel>300 mV Motor = Dur , -300 mV< Vpanel < 300 mV Sola dön, Vpanel< -300 mV Ancak, Vpanel 300 mV’u aştığında motor çalışacak ve 300 mV’un altına düşer
düşmez örneğin 299 mV olduğunda duracaktır. Bu durum motorun çok sık hareket
etmesine sebep olacaktır (Şekil 5.15 (a)). Bu sebeple bir histeresis aralığı
oluşturmamız gerekmektedir. Histeresis aralığı oluşturmak için gerilim
kıyaslayıcıların giriş ve çıkış uçları arasına uygun bir direnç bağlamamız yeterlidir.
Ancak direncin değeri önemlidir çünkü histeresis aralığının genişliği bu direnç
değerine göre ortaya çıkmaktadır. Şekil 5.15 (b)’de histeresisin olduğu durum
gösterilmektedir. Buradaki Vh gerilimi bağlanacak histeresis direnciyle
belirlenmektedir.
Şekil 5.15. (a) Histeresis yok (b) Histeresis var
Histeresis direncinin histeresis aralığını nasıl belirlediğini Şekil 5.16 üzerinden
inceleyelim:
Eğer Vin< Veşikpoz ise; Vo = 0 V olacaktır.
Vin = Vpanel x 20/21 olacaktır.
-300 mV
300 mV
VLT
(b)
VUT
58
Vin > Veşikpoz olduğunda ise; Vin = Vpanel + (Vo -Vpanel)/21
= Vpanel x 20/21 + Vo/21 olacaktır.
VinVo
histere20k
R31k
R43k
2
3
84
7
1LM311
Vesikpoz
Vpanel
5V
Şekil 5.16. Gerçekleştirilen histeresisli devre Dolayısıyla Vin gerilimi yükselecektir. Motor Vin<Veşikpoz olana kadar dönecek ve bu
şart sağlandığında duracaktır. Bu şart sağlandığında ise yine
Vo=0 V olacak ve
Vin = Vpanel x 20/21 olacaktır ama bu defa Vpanel iyice azalmış olacaktır. Bu durum
Şekil 5.15 (b)’de gösterilmektedir.
Diğer kıyaslayıcı opamp devresinde histeresis direnci giriş sinyaline değil de
Veşikneg referans sinyaline bağlanmıştır. Bu devrede de benzer şekilde referans
geriliminde ani düşme ve yükselmelerle histeresis sağlanmaktadır.
Yukarıdaki hesaplamalarda görüldüğü üzere histeresis aralığını bağlanan direnç
belirlemektedir. Bu direnç ne kadar küçük olursa histeresis aralığı o kadar büyük
olmaktadır.
Histeresis aralığını ayarlarken optimum noktanın seçilmesi gerekmektedir. Histeresis
aralığının çok büyük olması güneş takbindeki hassasiyeti olumsuz etkileyebilir. Bu
aralığın çok küçük olması ise motorun sık sık devreye girip/çıkmasına çalışmasına
sebep olur. Gerçekleştirilen tasarımda bu aralık;
5V/21=238 mV
kadar olmaktadır.
59
5.4.5. Motor Sürme Devresi
Gerçekleştirilen tasarımda 12V’luk servo motor kullanılmıştır. Motor ve mekanik
aksam ile ilgili ayrıntılı bilgiler Bölüm 5.4.8’de verilmiştir. Bu bölümde motor
kontrol devresi üzerinde duracağız.
Servo motorların karakteristik özelliği, verilen gerilimin işaretine göre sola ve sağa
dönebilmesidir. Motor kontrol entegresi olarak L293D kullanılmıştır (Ek-5). Şekil
5.17 motor kontrol entegresinin bağlantı şeklini göstermektedir.
Şekil 5.17. Motor kontrol entegresi L293D’nin bağlantı şeması Şekil 5.17’deki bağlantı şekli ile motor çift yöne dönebilmektedir. Motorun dönüş
yönünü entegrenin 2 ve 7 numaralı bacakları belirlemektedir. Entegrenin 2 numaralı
bacağına mantıksal 1 (2,3V ile besleme gerilimi arası) ve 7 numaralı bacağına
mantıksal 0 (0 V ile 1,5 V arası) anlamına gelen gerilim sinyalleri geldiğinde
motor sağa dönmekte iken tam tersi durumda sol yöne dönmektedir. Diğer
konfigürasyonlarda yani her iki bacağa da mantıksal 1 veya 0 anlamına gelen
gerilim değerleri geldiğinde motor durmaktadır.
60
5.4.6. Sistemin Gece Doğuya Dönmesi
Tasarımımızda önemli bir konu ve problem olarak güneş battıktan sonra sistemin
tekrar doğuya yönelmesi gerekliliği ortaya çıkmaktadır. Bu amacı gerçekleştirmek
için fotodirenç kullanılarak çok basit fakat etkili bir yöntem geliştirilmiştir. Şöyle ki;
bir önceki bölümde motor sürme devresi açıklanırken motorun sola ve sağa
dönüşünü kontrol etmek amacıyla L293D entegresinin 2 ve 7 numaralı bacağına
gelen iki sinyal olduğundan bahsedilmişti. Güneş batarken batı yönüne bakan
cihazımızı tekrar doğu istikametine çevirmek için motoru sola dönecek şekilde
çalıştırmamız gerekmektedir. Bunun için L293D entegresinin 7 numaralı bacağına
mantıksal 1, 2 numaralı bacağına mantıksal 0 anlamına gelen gerilim değerleri
vermeliyiz. Hava karardığında normalde her iki bacağa da yaklaşık 0 V’luk bir
gerilim gelmektedir. Hava karardığında entegrenin 7 numaralı bacağına 5 V
gerilimin gelmesi için Şekil 5.18’de gösterildiği şekilde devreye bir fotodirenç (R9)
bağlanmıştır.
S3
S4
C11uF
M2
IN
COM
OUT
U878L05
12345678 9
10111213141516
U9L293DKazan3
5k 40%
2
3 84
7
1
U10LP311
2
3
84
7
1
U11LP311
1k
histere20k
R9
R1020k
motorsa10k
motorso3k
histere20k
Şekil 5.18. Sistemin gece doğuya dönmesini sağlayan fotodirenç ve anahtar bağlantıları
Fotodirencin özelliği, güneş ışığı aldığında direnci 100Ω seviyesine kadar düşerken
karanlık ortamda 100 kΩ’a çıkmasıdır. Bu özellikten faydalanılarak tasarlanan
devremiz şöyle çalışmaktadır; fotodirenç, 10kΩ’luk dirençle 5V’luk gerilim
61
kaynağına seri bağlanmıştır. Gündüz fotodirencin değeri 100Ω seviyesine
düştüğünden 10kΩ’a göre çok ufak bir değer olduğundan üzerinde etkin bir gerilim
oluşmamaktadır. Ancak, gece olduğunda değeri, 100 kΩ mertebesine çıkınca 5V’luk
gerilim kaynağının çoğunluğu fotodirenç üzerine düştüğünden L293D entegresinin 7
numaralı bacağına otomatik olarak 5V’a yakın bir gerilim gelmekte ve bu gerilim
değeri entegre tarafından mantıksal 1 olarak algılanmaktadır. Böylece motorun sola
dönmesi için gerekli giriş sinyalleri hazırlanmış olmaktadır ve motor sola yani
doğuya doğru dönmeye başlamaktadır. Ancak bu noktada karşımıza başka bir
problem çıkmaktadır; sola yani doğuya doğru dönmeye başlayan cihaz, tam doğu
istikametine yöneldiğinde nasıl duracaktır? Çünkü hava karanlık olduğu müddetçe
fotodirençten dolayı L293D entegresi sürekli sola dön komutu alacaktır. Bu
problemin çözümü bir sonraki “Sınır Anahtarları” bölümünde açıklanmaktadır.
5.4.7. Sınır Anahtarları
Motorumuzun dönebileceği en sol ve en sağ noktalardan daha ileriye gitmesini
engellemek ve cihazımızı korumak için uç noktalara yani motorun dönebileceği en
sol ve en sağ noktalara cihazın dönüşünü durduracak anahtarlar yerleştirilmiştir(Bkz.
Şekil 5.18). Şekil 5.18’de görüldüğü gibi normalde anahtarlar açık konumda
beklemekte ve bu konumda herhangi bir fonksiyonları bulunmamaktadır. Motor sınır
değere geldiğinde anahtarı tetiklemekte ve 5V’luk gerilim kaynağını toprakla
irtibatlandırarak L293D entegresine motorun durmasını sağlayacak mantıksal 0
anlamına gelen sıfır Voltluk gerilim vermektedir. Bu koruma anahtarları her iki yöne
de yerleştirilmiştir. Anahtarların cihaz üzerindeki yerleşim şekli ise, cihazın estetiğini
bozmayacak şekilde devre kartının yerleştirildiği kapalı kısma yapılmıştır.
5.4.8. Mekanik Aksam
Cihazımızın mekanik aksamı Resim 5.4’de gösterilmektedir.
62
Resim 5.4. Tasarlanan ve gerçekleştirilen güneş takip sistemi
Mekanik aksam çanak anten sistemlerinde kullanılan montaj elemanlarından
modifiye edilmiştir. Görüldüğü gibi, yere sabitleme ayağı, motor aksamı, motor kolu
ve montaj aparatlarından oluşmaktadır. Kullandığımız motorun teknik özellikleri
aşağıda belirtilmiştir.
Motor özellikleri
Çalışma gerilimi aralığı : 12V-18V
Hız :1.9º/sn (13V’da)
Akım tüketimi: 50 mA (beklemede), 200mA(normal), 350 mA(maksimum)
63
Şekil 5.19 Gerçekleştirilen sistemin mekanik aksamı
5.4.9. Akü Grubu
Sistemin enerji deposu iki adet akü olmakla berber asıl enerji kaynağı güneşten
elektrik enerjisi elde etmek amacıyla kullanacağımız güneş panelleridir. Akülerimiz
bu güneş panellerinden şarj olarak sisteme enerji verecektir.
Kullanılan akülerin teknik özellikleri aşağıda belirtilmektedir: Tip :Bakımsız kuru tip Nominal gerilim :12 V Kapasite :1,3 Ah En x boy x yükseklik (mm) : 48x 97x 51 Aküler birbirine seri bağlanıp ortak uçları toprak olarak referans alınmıştır (Şekil
5.20). Böylece akülerden birisi +12V , diğeri -12V gerilim kaynağı olarak
kullanılmıştır. Akülerin pozitif ve negatif uçları arasına bağladığımız kapasitörlerin
kullanım amacı akü çıkışlarında gerilim salınımı olmamasını garanti altına almaktır.
Her ne kadar akülerimizin çıkışı düzgün bir DC gerilim kaynağı gibi davranmakta ise
de bu kapasitör bağlantıları önlem olarak yine de kullanılmıştır.
Motor kolu
Montaj dirseği
Dikey açı ayarı
64
C21uF
C11uF
+aku1
12V
+aku2
12V
V12
V12
toprak
Şekil 5.20. Akülerin bağlantı şekli Devremizde bize gerekli olan +12 V, toprak hattı ve -12 V gerilim kaynakları Şekil
5.20’de gösterildiği şekilde elde edilmiştir. Ancak bunlara ilaveten bazı entegre
beslemelerinde kullanmak üzere +5V gerilime de ihtiyaç duyulmaktadır. Bu amaçla
iki adet 7805 entegre kullanılmıştır. 7805 entegrelerin girişine 12V gerilim
uygulanarak çıkış uçlarından +5V gerilim elde edilmiştir. Şekil 5.21 7805
entegresinin bağlantı şeklini göstermektedir.
Şekil 5.21. +5V gerilim kaynağı oluşturulması
-12 V
+12 V
C31uF
VIN
COM
OUT
78L05
C21uF
C11uF
+aku1
12V
+aku2
12V
V12
+5V
65
5.4.10. Kart Baskı Aşamaları:
Tasarladığımız devreyi, baskı devre kart haline getirmeden önce deney setinde
kablolar ile gerekli bağlantılar yapılarak çalışması kontrol edildi. Bu aşamadan sonra
devre şeması çizildi. Devre şemasını çizmek için Circuit Maker 2000 programı
kullanıldı. Devrenin kart baskı şemasının çizimi için ise yine aynı program altında
bulunan Traxmaker programı kullanıldı. Normalde program devre şemasından kart
baskı şemasını otomatik olarak çizmektedir. Ancak bu özelliği bizim devre şemamız
için kullandığımızda program tek katmanlı olarak kart baskı şemasını oluşturamadı.
İki katmandan oluşan bir şema çizdi. Ancak iki katmanlı kart baskı işlemi zor ve
spesifik cihazlar gerektirdiğinden dolayı şöyle bir çözüm yoluna gidildi; kart baskı
devresi tek katman olacak şekilde manuel olarak elle çizildi. Bunu başarabilmek için
yolların kesiştiği durumlarda köprüler oluşturuldu (Resim 5.5).
Resim 5.5. Gerçekleştirilen tasarımın kart baskı şeması
Kart baskı devresini çizdikten sonra gerçekleştirme aşamasına geçildi. Devre
boyutlarında bakır levha kesildikten sonra kart baskı şemasındaki yolların levha
66
üzerinde iz bırakılarak kapatılması gerekmektedir. Bu adımı gerçekleştirmek
amacıyla pnp kart basım kağıdı kullanıldı. Lazer printerdan pnp kağıda kart baskı
şemasını çizdirdikten sonra bakır levha üzerine kapatarak sıcak ütü altında bir süre
beklettik. Kağıdı kaldırınca bakır levhaya kağıttaki yol çiziminin aynen geçtiğini
gördük. Daha sonra bakır levha asitli suda bırakılarak yol bağlantıları hariç diğer
kısımlardaki bakır temizlendi. Entegrelerin ve devre elemanlarının bağlanacağı yerler
matkapla delindi, köprü (kısa devre) atılması gereken yerlere kablo ile hat çekildi ve
devre elemanları yerleştirildi.
5.5. Tasarımın Maliyeti
Gerçekleştirilen tasarımın parça bazında yaklaşık maliyeti aşağıya çıkartılmıştır: Mekanik aksam ve motor………………………..90 YTL Elektronik devre elemanları……………………..50 YTL Sensörler……………………………………….. 10 YTL Aküler………………………………………….. 15YTL TOPLAM……………………………………… 165 YTL Bir yüksek lisans tezi olarak gerçekleştirilen bu tasarımın maliyeti seri üretimlerde
çok büyük oranda düşecektir.
Elimizde bulunan ve güneş takip sistemi tasarımıyla birlikte kullanılacak olan güneş
panellerinin teknik özellikleri aşağıda belirtilmiştir:
Güneş Paneli Özellikleri
Marka : JET-PUMPEN HT GMHB (Germany) Model : KT 12-12 B Açık Devre Gerilimi (Voc): 22,5 V Kısa Devre Akımı (Isc): 320 mA Güç (Wspec) :3,6 W Vspec:14,5 V Ispec: 248 mA Boyut: 315mm x 315 mm Yukarıda özellikleri belirtilen güneş panellerinden bildirilen güç oranında
faydalanabilmemiz için güneş takip sistemi kullanmamız gerekmektedir. Çünkü
67
belirtilen güç değeri belirli bir ışıma şiddeti ve gelme açısı altında elde edilmektedir.
Dolayısıyla güneş takip sistemi olmadan bu güneş panellerinin kullanılması
durumunda spesifikasyonlarında belirtilen değerler tam olarak elde edilemez.
68
6. SONUÇ VE ÖNERİLER Dünyada yenilenebilir enerji kaynaklarını kullanmaya doğru hızla artan bir eğilim
vardır. Bunlar arasında özellikle güneş enerjisi ülkemizin iklim ve coğrafyasına
uygun bir alternatif enerji kaynağıdır. Özellikle şehir elektrik şebekesinin olmadığı
veya getirilmesinin çok maliyetli olacağı uzak yerlerde, TV vericisi, link vb. cihazlar
için enerjiye ihtiyaç duyulan yüksek dağlarda, elektrik kesintisinden etkilenmemesi
istenen sokak lambası uygulamalarında vs güneş enerjisi çok verimli şekilde
kullanılabilmektedir.
Yenilenebilir enerji kaynaklarından maksimum faydalanabilmek için sürekli yeni
çalışmalar yapılmaktadır. Güneş panellerinden maksimum verimle faydalanmak
amacıyla da güneş takip sistemleri dünyada bir çok uygulama alanında
kullanılmaktadır.
Güneş takip sistemleri özellikle yer kısıtı olan uygulamalarda çok kullanışlı
olmaktadır. Örneğin; gemi, karavan gibi araçlarda gerekli enerji elde etmek için
kullanılacak panel sayısı güneş takip sistemleri ile daha az sayıya düşürülerek yerden
tasarruf edilebilmektedir.
Güneş takip sistemleri, güneş ışınlarının fotovoltaik yüzeye dik gelmesini sağlayarak
elde edilen enerji miktarını arttırmaktadır. Bu sistemleri kullanarak güneş
panellerinden elde edilen enerji %30-%37 oranında arttırılabilmektedir.
Gerçekleştirilen sistem ile maksimum enerji artışı %30 civarındadır. Mevsimlere
göre dikey (tilt) açısı ayarlanarak iki yönlü takip yapıldığında ise bu verim %40’a
ulaşmaktadır. Ayrıca NREL tarafından Denver, USA şehri için yapılan ölçümlere
göre;
o Güneş takibi olmazsa 5.5 kWh/m2 yıllık ortalama ışıma enerjisi düşmekteyken,
o 1-eksende takip yapılırsa 7.2 kWh/m2 yıllık ortalama ışıma enerjisi düşmektedir.
Buna göre artış (7.2-5.5)/5.5 = %30.9 olmakta,
69
o 2-eksende takip yapılırsa 7.4 kWh/m2 yıllık ortalama ışıma enerjisi düşmektedir.
Buna göre artış (7.4-5.5)/5.5 = %34.5 olmaktadır.
Sonuç olarak, güneş takibi yapılmayan sistemlerde enerji miktarına göre 1-eksenli
takip yapmak %31 civarında enerji verim kazancı sağlarken 2-eksenli takip yapmak
%34-37 civarında enerji kazancı sağlamaktadır.
Bu çalışmada tasarlanan ve gerçekleştirilen güneş takip sistemi sensör tabanlıdır.
Sensör olarak iki adet ufak güneş (PV) paneli ve bir adet fotodirenç kullanılmıştır.
Cihaz, güneşi doğuşundan batışına kadar takip etmekte, hava kararınca otomatik
olarak doğuya yönelip beklemektedir. Sensör paneller, güneşin yerini tespit amacıyla
kullanılırken fotodirenç gündüz ve gece ayrımı yaparak gece olduğunda cihazın
doğuya dönmesini sağlamak için kullanılmıştır.
Yaptığımız deneysel çalışmalarda, güneş açısı-akım, güneş açısı gerilim arasında
yaklaşık doğrusal bir ilişki olduğu görülmüş ve bu ilişkiye dayanarak güneş takip
sistemi tasarlanmıştır.
Güneş takip sistemi hassasiyeti iki sensör panelin akımlarının farkına bağlıdır.
o Sensör panellerde, ışık şiddeti artarsa akım farkı artmakta;
o Sensör panellerin verimi artarsa akım farkı artmakta;
o Sensör paneller arasındaki açı azaldıkça yine akım farkı artmaktadır.
Tasarımda sensörler 90°’lik açıyla içe dönük olarak yerleştirilmiş olmakla birlikte bu
açı değeri değiştirilebilecek şekilde monte edilmiştir.
Sistem 1-eksende takip yapacak şekilde tasarlanmış olmakla beraber 2.eksen
mevsimlere göre manuel olarak ayarlanabilmektedir. Bu ayarlamanın yılda iki defa
yapılması yeterlidir.
70
Cihaz gündoğumundan günbatımına takip yapmaktadır ancak bu takip açısı 180°
değil 140° civarındadır. Bu açı aralığını yerleştirilen sınır anahtarları sağlamaktadır.
Sınır anahtarları cihazın belli bir noktadan daha ileriye dönmesini engelleyerek
sistemi korumak amacıyla kullanılmıştır.
Bu çalışmada gerçekleştirilen güneş takip sistemi tamamen analog elektronik ve
mekanik temelli bir sistemdir. Benzer çalışmalar, mikroişlemci kontrollü, PLC
kontrollü veya sensör kullanılmadan koordinat/saat/tarih bilgisine göre çalışacak
şekillerde de gerçekleştirilebilir.
71
KAYNAKLAR 1. U.S. Census Bureau , “International Population Reports WP/02”, Global
Population Profile: 2002, U.S. Government Printing Office, 11 (2004). 2. Energy Information Administration, “Annual Energy Review 2004”, DOE/EIA-
0384, Washington, DC, XX,XXI, 280 (2005). 3. Goswami, D.Y., Frank, K., Kreider, J.F., “Principles Of Solar Engineering 2nd
ed.”, Taylor & Francis, Philadelphia, 5-8,13, 22-23, 43, 45-51, 63-67, 415, 418 (2000).
4. Messenger, R.A., Ventre, J., “Photovoltaic Systems Engineering 2nd ed.”, CRC
Pres, New York, 21-25, 31-35, 415-431 (2004). 5. Makvart, T., “Solar Electricity”, John Wiley & Sons, Chichester, U.K., 5-100
(1994). 6. Strong, S.J., Scheller, W.G., “The Solar Electric House”, Sustainability Pres,
Massachusetts, 66-68, (1993). 7. Nelson, J., “The Physics Of Solar Cells”, Imperial College Press, London, 20,
(2003). 8. Threlkeld, J.L. ve Jordan, R.C., Trans. ASHRAE 64:45 (1958). 9. Kalogirou, S.A., “Design and construction of a one-axis sun-tracking system”,
Solar Energy, 57 (6): 465-469 (1996). 10. Rumala, S.S.N, “A shadow method for automatic tracking”, Solar Energy, 37
(3): 245-247 (1986). 11. Zogbi, R ve Laplaze, D., “Design and construction of a sun tracker”, Solar
Energy, 33 (3/4): 369-372 (1984). 12. Iqbal, M., “An Introduction to Solar Radiation”, Academic Pres, New York
(1983). 13. Zerlaut, G., “Solar Radiation instrumentation”, Solar Resources, Roland L.
Hulstrom ed., MA: MIT Press, Cambridge, 5-100 (1989). 14. Budyko, M.I., “The Heat Balance of the Earth’s Surface”, N.Stepanov çev., U.S.
Department of Commerce, Washington D.C., 259 (1958).
72
15. Angrist, S.W., “Direct Energy Conversion 3rd Edition”, Allyn and Bacon Inc.,
Boston, 5-100 (1976). 16. A. A. M. Sayigh., “Chapter 2 – Photovoltaic and Solar Radiation.” In Generating
Electricity from the Sun, Fred Tremble, editor. Pergamon Press, Oxford, (1991). 17. Adams W.G. ve Day R.E, Phil. Trans. R. Soc., 167: 313-349(1977).
18. Marti, A. ve Luque, A., Next Generation Photovoltaics, IoP Publishing, Philadelphia, 1-40 (2004).
19. Taşdemiroğlu, E., “Energy Portrait of Turkey: Achievable Savings Through Renewable Energies and Conservation Technologies”, Energy Sources, 15:561-585 (1993).
20. Taşdemiroğlu, E., “Industrial Energy Consumption Patterns and Possible Savings
in Türkiye”, Energy , 18:251-258 (1993). 21. Taşdemiroğlu, E., “Sustainability of Fosil Fuels and Alternative Energies for
Turkey”, Energy, 13 (10):761-765 (1988). 22. Taşdemiroğlu, E., Ecevit, A., “Computation of The Direct and Diffuse
Components of Hourly and Daily Solar Irradiances Received by The Inclined and Oriented Surfaces over Turkey”, Doğa Bilim Dergisi, A1: 9,1,(1985).
23. Taşdemiroğlu, E., Sever, R., “Estimation of Total Solar Radiation From Bright
Sunshine Hours in Turkey”, Energy , 14(12):827-830 (1989). 24. Floyd, T.L., “Electronic Devices 4th ed”, Prentice Hall, New Jersey , 2-23,
(2002).
73
EKLER
74
EK-1 Türkiye’nin aylık ve yıllık güneş ışınımı dağılımı [19-23]
75
EK-1 (Devam) Türkiye’nin aylık ve yıllık güneş ışınımı dağılımı [19-23]
76
EK-1 (Devam) Türkiye’nin aylık ve yıllık güneş ışınımı dağılımı [19-23]
77
EK-1 (Devam) Türkiye’nin aylık ve yıllık güneş ışınımı dağılımı [19-23]
78
EK-1 (Devam) Türkiye’nin aylık ve yıllık güneş ışınımı dağılımı [19-23]
79
EK-2 LM358 entegresinin özellikleri ve tipik uygulamaları
80
EK-2 (Devam) LM358 entegresinin özellikleri ve tipik uygulamaları
81
EK-2 (Devam) LM358 entegresinin özellikleri ve tipik uygulamaları
82
EK-2 (Devam) LM358 entegresinin özellikleri ve tipik uygulamaları
83
EK-3 INA103 entegresinin özellikleri ve tipik uygulamaları
84
EK-3 (Devam) INA103 entegresinin özellikleri ve tipik uygulamaları
85
EK-3 (Devam) INA103 entegresinin özellikleri ve tipik uygulamaları
86
EK-3 (Devam) INA103 entegresinin özellikleri ve tipik uygulamaları
87
EK-4 LM311 entegresinin özellikleri ve tipik uygulamaları
88
EK-4 (Devam) LM311 entegresinin özellikleri ve tipik uygulamaları
89
EK-4 (Devam) LM311 entegresinin özellikleri ve tipik uygulamaları
90
EK-5 LM 293d entegresinin özellikleri ve tipik uygulamaları
91
EK-5 (Devam) LM 293d entegresinin özellikleri ve tipik uygulamaları
92
EK-5 (Devam) LM 293d entegresinin özellikleri ve tipik uygulamaları
93
EK-5 (Devam) LM 293d entegresinin özellikleri ve tipik uygulamaları
94
EK-6 Mekanik aksam ve motor kataloğu
95
EK-7 78xx serisi voltaj regulatörleri
96
EK-7 (Devam) 78xx serisi voltaj regulatörleri
97
ÖZGEÇMİŞ
Kişisel Bilgiler Soyadı, adı : BİLGİN, Zeki Uyruğu : T.C. Doğum tarihi ve yeri : 17.11.1977 Gaziantep Medeni hali : Evli Telefon : 0 (312) 412 44 82 Faks : 0 (312) 230 46 42 e-mail : [email protected].
Eğitim Derece Eğitim Birimi Mezuniyet tarihi Yüksek lisans Gazi Üniversitesi /El-Elektronik Müh. Bölümü 2006 Lisans Gazi Üniversitesi/ El-Elektronik Müh. Bölümü 2001 Lise Gaziantep 19 Mayıs Lisesi 1994
İş Deneyimi Yıl Yer Görev 2001-2006 EGM Haberleşme Dairesi Başkanlığı Mühendis Yabancı Dil İngilizce Hobiler Kitap okumak, film seyretmek, futbol