Fotovoltaik Santraller Yazı Dizisi-1

Fotovoltaik Santraller

Yazı Dizisi-1

Tercüme: Alper Çelebi

Giriş

Günümüz global enerji ve çevre bağlamında, sera gazları ve kirletici maddelerin emisyonlarının azaltılması hedefi (ayrıca Kyoto protokolü uyarınca) birinci dereceden öneme sahiptir. Bu hedefe aynı zamanda birçok ülke tarafından yüksek miktarda kullanılması nedeniyle yok olmaya yüz tutmuş fosil yakıtların yedeklenmesi ve kullanımının azaltılması amacıyla alternatif ve yenilenebilir
enerji kaynaklarından yararlanılarak ulaşılabilir.

Güneş, kesinlikle büyük bir potansiyele sahip yenilenebilir bir enerji kaynağıdır ve çevresel açıdan güneşten yararlanmak mümkündür. Güneşe maruz kalan karasal yarımkürenin yüzeyinin anlık 50 bin TW'ı geçen bir güç aldığını söylemek mümkündür; bu nedenle karasal topraklara erişen güneş enerjisi miktarı muazzamdır. Tüm dünyada kullanılan enerjinin yaklaşık 10 bin katı kadardır.

Yenilenebilir enerji kaynakları kullanan diğer sistemler arasında fotovoltaikler, sistemin kendi içsel nitelikleri sebebiyle umut vaat etmektedir: çok düşük hizmet maliyeti (yakıtı ücretsizdir) ve sınırlı bakım gereksinimleri vardır. Güvenilir, gürültüsüz ve kurulumu kolaydır. Üstelik, bazı bağımsız uygulamalarda fotovoltaikler diğer enerji kaynaklarıyla karşılaştırıldığında, özellikle geleneksel elektrik hatlarıyla erişilmesi zor olup ekonomik olmayan yerlerde kesinlikle uygundur.

Bu Teknik Föy bir fotovoltaik santrali hayata geçirirken karşılaşılacak temel kavramlar ve problemleri analiz etmeye yöneliktir. Güneş enerjisinden yararlanma yöntemlerine ilişkin genel bir açıklama ile başlayarak, PV santraller üzerinden aşırı akım, aşırı gerilim ve dolaylı temastan korunma yöntemleri ile ilgili kısa açıklamalar verilerek santrallerin farklı bileşenleri için doğru işletim ve koruma cihazlarının seçilmesine rehberlik edilir.

Bu teknik föy iki kısma ayrılmıştır:

ilk kısım daha genel olup ilk beş bölümü içererek PV santrallerin çalışma prensiplerini, tipolojierini, ana bileşenlerini, kurulum yöntemlerini, farklı yapılandırılmalarını ve koruma sistemlerini açıklar. Ayrıca, bir santralde enerji üretimine dair bir analiz sunar ve belirlenmiş büyüklüklerin bir fonksiyonu olarak nasıl değiştiğini gösterir.

İkinci kısım (Bölüm 6’yı içerir), fotovoltaik uygulamaları için çözümleri gösterir.

Bu teknik föyü tamamlamak üzere beş adet ek bulunur ve şunları sunarlar:

• fotovoltaik santrallerde kullanılan yeni teknolojilerin bir açıklaması
• diğer yenilenebilir enerji kaynaklarının bir açıklaması;
• müstakil bir ev için 3kWp ve zanaatkar endüstri işletmesi için 60kWp PV santralin boyutlandırılmasına ilişkin birer örnek.
• fotovoltaik uygulamalarda sıcaklık artışı, MCB ve ayırıcı davranışlarının bir açıklaması.

1.Fotovoltaik (PV) santrallerin genel özellikleri

1.1 Çalışma prensibi

Bir fotovoltaik (PV) santral, herhangi bir yakıt kullanmadan güneş enerjisini doğrudan ve hemen elektrik enerjisine dönüştürür. Aslına bakarsak fotovoltaik (PV) teknolojisi, solar ışımaya maruz
kaldığında elektrik üreten uygun bir şekilde “katkılanmış” bazı yarı iletkenlerin etkisinden yararlanır.

Fotovoltaik (PV) santrallerin başlıca avantajları aşağıdaki gibi özetlenebilir:

• gerektiğinde dağıtık üretim;
• kirletici maddelerin emisyonu yok;
• fosil yakıtlardan tasarruf;
• hareketli parçaları olmadığından güvenli santraller (20 sene üzeri kullanım ömrü);
• azaltılmış işletim ve bakım maliyetleri;
• kullanıcıların gerçek gereksinimlerine göre sistem modüleritesi (santral gücünü artırmak için, modül sayısını arttırmak yeterlidir.)

Ancak, teknik ve ekonomik açıdan tam olarak olgunluğa erişmemiş piyasa yüzünden, bir PV sisteminin ilk kurulum maliyeti oldukça yüksektir. Üstelik, güneş enerjisinin kaynağının değişkenliği nedeniyle güç üretimi düzensizdir.

Bir PV santralin yıllık elektrik gücü üretimi farklı faktörlere bağlıdır. Bunların arasında:

• kurulum sahasındaki güneş ışınımı olayı;
• modüllerin eğimi ve yönelimi;
• gölgelenmenin olup olmaması;
• santral bileşenlerinin (modüller ve inverterler başta olmak üzere) teknik performansları.

PV santrallerin başlıca uygulamaları:

1. şebekeden bağımsız yükler için kurulumlar (depolama sistemli);
2. AG şebekesine bağlı kullanıcılar için tesisatlar;
3. genellikle OG şebekesine bağlı solar FP elektrik santralleri.

Tarife Garantisi teşvikleri sadece tip 2 ve tip 3 uygulamaları için en az 1kW nominal güce sahip olan santraller için sağlanır.

Bir PV santral temelde bir jeneratörden (PV modüller), modülleri zemine, binaya veya herhangi bir yapıya monte etmek için destek çerçevesinden, güç kontrolü ve koşullandırması için bir sistemden, olası bir enerji depolama sisteminden, anahtarlama ve koruma ekipmanını muhafaza eden elektriksel panolardan ve anahtarlama donanımları ve de bağlantı kablolarından
oluşur.

1.2 Güneş enerjisi

Güneşin çekirdeğinde, milyonlarca derece sıcaklıklarda, durmaksızın termonükleer füzyon reaksiyonları meydana gelir; elektromanyetik radyasyon formunda muazzam miktarlarda enerji ortaya çıkartırlar. Bu enerjinin bir kısmı, ortalama yaklaşık 1.367 W/m2 ± %3 bir parlaklık (solar sabit) ile Dünya atmosferinin dış kısmına ulaşır. Bu değer Dünya-Güneş uzaklığının ve solar aktivitenin (güneş lekeleri) bir fonksiyonu olarak değişebilir (Şekil 1.1).

Şekil 1.1 - Ekstra-atmosferik ışınım

Güneş ışıması, 1 metrekaredeki solar elektromanyetik ışımanın yoğunluğu anlamına gelir [kW/m2]. Bu yoğunluk solar ışınım spektrumunun frekansının her bir değeri ile ilişkili gücün integraline eşittir.

Atmosferden geçerken, kısmen yansıtılıp emildiğinden (özellikle su buharı ve diğer atmosfer gazları tarafından) solar ışınım yoğunlukça azalır. Geçen ışınım, hava ve havada asılı kalan katı parçacıklar ile yayılır (Şekil 1.2).

Şekil 1.2 - Güneş, atmosfer ve toprak arasındaki enerji akışı

Solar ışıma, güneş ışımasının belirli bir süre boyunca integrali anlamına gelir [kWh/m2]. Bu nedenle yatay bir yüzeye düşen ışınım; yüzeydeki doğrudan parlaklıkla ilişkili olarak doğrudan ışınımdan, yüzeye gökyüzünün bir parçasından değil tamamından düşen yayınık ışınımdan ve de yer ve etrafındaki ortam tarafından verilen bir yüzeye yansıtılan bir radyasyondan oluşur (Şekil 1.3). Kışın gökyüzü bulutla kaplıdır ve yayınık bileşen doğrudan olana göre daha büyüktür.

Şekil 1.3 - Solar ışınım bileşenleri

Yansıtılan ışınım, yüzeyin güneş ışınlarını yansıtma kapasitesine bağlıdır ve her malzeme için ayrı hesaplanan albedo katsayısı ile ölçülür (Şekil 1.4).

Şekil 1.4 - Yansımış ışınım

Şekil 1.5, 30° Güneye eğimli bir düzlem üzerinde ortalama güneş ışıması dünya atlasını gösterir [kWh/m2/gün]

İtalya'da ortalama yıllık parlaklık, Po Vadisi'nde günde 3.6 kWh/m2, Güney Merkez'de günde 4.7 kWh/m2 ve Sicilya'da günde 5.4 kWh/m2 olarak değişir (Şekil 1.6). Bu sebeple, elverişli bölgelerde her metrekarede yıllık yaklaşık 2 MWh (5.4 . 365) elde etmek mümkündür ve bu da her bir metrekare için 1.5 petrol varilinin enerjik eşdeğeri anlamına gelir; İtalya'nın geri kalanında iseTyrrhenian(Tiren) şeridinde 1750 kWh/m2 'den Po Vadisi'nde 1300 kWh/ m2 'ye kadar değişim gösterir.

Şekil 1.6 - kWh/m2 cinsinden günlük global ışıma