Geri Dön

Güneş pili sistemleri için tasarlanmış şebekeye bağlı eviricinin gerçeklenmesi

Validation of grid connected inverter designed for solar cell

  1. Tez No: 98468
  2. Yazar: ABDURRAHMAN BEŞİKÇİ
  3. Danışmanlar: PROF.DR. R. NEJAT TUNCAY
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 1999
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 71

Özet

GÜNEŞ PİLİ SİSTEMLERİ İÇİN TASARLANMIŞ ŞEBEKEYE BAĞLI EVİRİCİNİN GERÇEKLENMESİ ÖZET Toplumun gelişmişlik derecesiyle enerji kullanımı arasında zamanla değişen bir bağlantı vardır. Bu bağlantı gelişmişliğin ilerlemesiyle enerjinin yükselerek yoğun olarak kullanılması nedeniyle oluşur. Güneş bir şekilde dünyadaki bütün enerji şekillerinin oluşma nedenidir.Kullanılan kömür veya petrol gibi fosil yakıtların oluşumunda temel olarak bitkilerin fotosentezi yatmaktadır. Güneşin neden olduğu sıcaklık değişimi ve özellikle iklim üzerindeki etkisi rüzgar enerjisi gibi diğer temel enerji biçimlerinin oluşmasının dolaylı olarak sebebidir. Güneşin ışık enerjisi direkt olarak güneşten yayılan enerjidir. Bu enerji birbirinden farklı iki kullanım ortaya çıkarmıştır. Güneş enerjisinin termal ısırma maksadıyla kullanılması ve güneş ışınlarının güneş pilleri yardımıyla elektrik enerjisine dönüştürülmesi. Bahsedilen ilk teknoloji güneş enerjisinin ısıtma etkisinin kullanılmasıyla elde edilen evlerdeki su ısıtma sistemleri veya yüzme havuzlanndaki su ısıtma sistemleridir. Burada ilgilendiğimiz kısmı ise güneşin ışınımıyla elde edilen enerjidir. Bu, güneşten gelen ışınımı enerjisinin doğrudan DC elektrik enerjisine dönüştüren bir teknolojidir. 1980 'lerde alışılagelmiş enerji üretiminin çevreye yaptığı etkinin maliyeti konusunda büyük bir toplumsal uyanma oluşmuştur. Bu konular daha büyük ilgiyle ön plana taşınmışlardır. Kirlilik ve küresel ısınma devletin üst kısmında tartışılan meseleler haline gelmiştir. Karbondioksit, sülfür ve nitrik oksit yaymayan güneş enerjisi küresel ısınma için önerilmiş en iyi yollardan biridir. Güneş enerjisi sistemlerinin temel faydası güneşin bir işletim maliyeti oluşturmamasıdır, bu da minimum işletme maliyeti demektir. Bununla eşdeğer kullanıcılar için diğer bir önemli yanı ise bakım maliyet gereksinimidir ki güneş enerjisi sistemlerinde kullanılan güneş pillerinin hareketli bir parçası olmadığından bu çok düşüktür. Güneş sistemlerinin ömür boyunca bakım maliyetlerine bakıldığında, dizel jeneratörlere ve hatta bazı durumlarda elektrik şebekesine göre önemli bir avantaja sahiptir. Güneş enerjisi sisteminin temel elemanı güneş pili hücreleridir. Bunlar basit anlamda bir diyota benzetilebilirler. Kullanılan temel malzeme olan silikondan yabancı parçacıklar çok hassas bir şekilde arındırılmıştır. ıxIs lsr Rs AA/V.Rsh 2 2 t -o Şekil 1. Güneş Pili Hücresine ait Eşdeğer Şema Güneş pili hücresinin modellenmesi güneş enerjisi sistemlerinin simülasyonu için önemlidir. Güneş pili hücresi eşdeğer devre yaklaşımıyla modellenebilir. Eşdeğer devre Şekil 1 ' de gösterilmiştir. Güneş pili hücresinin tipik akım-gerilim eğrisi Şekil 2 'de gösterilmiştir. V0 V Şekil 2 Güneş Pili hücresine Ait Akım-Gerilim Karakteristiği İki ayrı temel tip güneş enerjisi sistemi bulunmaktadır. Birincisi kendi başına çalışan güneş enerjisi sistemleri, diğeri giderek önem kazanmakta olan şebekeye bağlı olarak çalışan güneş enerjisi sistemleridir. Güneş enerjisi sisteminin tek enerji kaynağı olarak kullanıldığı durumlarda, sistemin diğer elemanları enerji depolama için kullanılacak özel tasarım aküler ve bunları uygun koşullarda şarj edecek şarj kontrol ünitesidir. Aküler güneş ışığı olmadığında enerji kaynağı olacak, akü şarj kontrol ünitesi ise güneş enerjisinin değişken koşullarında aküleri uygun şekilde şarj edecektir. Şebekeye bağlı sistemler akü kullanımına ihtiyaç göstermezler. Bu sistemlerde güneş panelleri bir koruma birimi ve bir evirici üzerinden şebekeye bağlı olarak çalışırlar. Eğer çok fazla enerjiye ihtiyaç duyulursa şebeke kaynağı bu fazla enerjiyi karşılar. Tüketilen enerjinin üretilen enerjiden az olduğu durumlarda güneş panelleri şebekeye destek olabilir.j5^^5 T1 Ra r-Wvr- Rb -VW- Rc La Lb Lc VA Vb Vc Şekil 3. Akım Kontrollü Üç Fazlı Evirici Prensip Şeması Tipik akım kontrollü üç fazlı köprü evirici ile yüksek güçlü şebekeye bağlı güneş pili sistemleri gerçekleştirilebilir. Sistemin temel blok diyagramı Şekil 3 'de gösterilmiştir. Bu devre yapısında yüksek güçlü uygulamalarda daha iyi bir verim sağlanabilir. Bu çalışmada şekil 3' de gösterilen sistem ele alınacaktır. Öncelikle sistem modellemesi yapılacak daha sonra uygun kontrol yöntemi seçilerek geliştirilecektir. Sistem simülasyonlannın sonucunda oluşacak sistem üzerinde gerekli değişiklikler yapılacaktır. Şekil 4 Sistemin Prensip Gösterilimi Sistemin prensip görünümü Şekil 4'de verilmiştir. Şekilden görüldüğü üzere sistem temel olarak çok basit görünmektedir. Sistem birinci dereceden bir sistem oluşturmaktadır. Kontrol edilmek istenen akım bileşeni kaynak gerilimine ve şebeke gerilimine bağlıdır. Şebeke parametreleri evirici endüktansına göre çok küçüktür. Sistem kontrolörünün bir PI kontrolör olması gerektiği kolayca görülebilir. Sisteme PI kontrolörü uygulandığında sistem kararlı hal hatası sıfırlanarak kararlı kompleks eşlenik kökleri kazançla kontrol edilebilir hale gelmektedir. Kontrol edilen sistemin köklerinin yer eğrisi grafiği Şekil 5 'de gösterilmiştir. xıI mag Axis 3000 2000 1000- -1000 -2000 -3000 O ; e- __- -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 Real Axis Şekil 5 Kontrol Edilen Sistemin Köklerinin Yer Eğrisi Kontrol sistemi simülasyonlan ve gerçek zaman simülasyonlan sistemin anahtarlama frekansında bazı harmonikler ürettiğini göstermektedir. Sistem çıkış akımının gerçek zaman simülasyonlan Şekil 6 'da gösterilmiştir. 2.00M 6.00M 10.0M 14.0M 18.0M TIME in Sees Şekil 6 Çıkış Akımı ve Referans Gerilimi Dalga Şekilleri Yukarıda bahsedilen sistem seçilen projenin ön tasarımını oluşturmaktadır. Güç katı ve kontrol katı bloklarının tasarımları yapılmıştır. Daha sonra güç katında kullanılan elemanların değerleri tespit edilmiş kullanılacak elektronik kartların seçimi yapılmış ve ek elektronik kartlar tasarlanmıştır. xıı2 120.0V -0.00s 5.002/ §1 RUN Şekil 7 Çıkış Akımı Dalga Şekil ( Prototip ) Bu şekilde oluşturulan laboratuar prototipi gerçekleştirilmiş ve oluşan problemler ve nedenleri üzerinde durulmuştur. Sistem testleri güneş panellerini simüle eden bir DC güç kaynağıyla yapılmıştır. Testlerde sistemin bağlı bulunduğu şebeke ise laboratuar ortamında bulunan şebekedir. Sonuçta elde edilen veriler dijital osiloskopla kaydedilerek çalışmanın sonunda sunulmuştur. Oluşturulan prototip cihazda elde edilen çıkış akımı dalga şekli Şekil 7 'de gösterilmiştir. Şekilden de görüleceği üzere çıkış akımı referans işaretinin izlemektedir. Bunun aynında anahtarlama frekansında oluşan harmonikler simülasyonlarda görüldüğü şekildedir. Ancak şebeke empedansmdan kaynaklanan bazı düşük seviyeli harmonikler çıkış akımı dalga şeklinde görülebilir. Gelecek çalışmalarda şebekenin lineer olmayan yapısına uygun olan daha uygun bir kontrolör tasarlanabilir. Yüksek frekansmdaki harmonikler ise daha arklı bir anahtarlama stratejisi kullanılarak azaltılabilir. xııı

Özet (Çeviri)

VALIDATION OF GRID CONNECTED INVERTER DESIGNED FOR SOLAR CELL SUMMARY There is a relationship, which changes over the time, between the degree of development in a society and the use of energy. This relationship has been one and increasingly intensive use of energy as development proceeded. The sun is responsible for most of the earth's energy in one-way or another. Plant photosynthesis provided the basis of our fossil fuels such as coil and oil. Heat from the sun and specifically its effect on weather patterns, is indirectly responsible for that other common form of renewable energy, wind power. Solar power, in its accepted working definition, is the supply of energy directly from the sun. It is essentially made up of two very distinct technologies, solar thermal and solar photovoltaics. The first technology is based on principle of using the sun's direct heat energy and is most commonly used for supplying hot water for houses and swimming pools. However, it is photovoltaics, which is interest of here. This is a technology where the light from the sun is converted directly into DC electricity. In the 1980' s there came a greater public awareness of environmental costs of traditional energy production. These issues came to the fore adding a fresh impetus. Pollution and global warming became issues discussed by the head of the government. Solar which emits no carbon dioxide, sulfur or nitrous oxide emissions offered one potential avenue to alleviate the inevitable consequences of global warming. The main benefit of solar power system is their use of free fuel from the sun, resulting in only minimal running costs. Equally important for users is the minimal maintenance requirements, with the critical element, the solar modules having no moving parts. Indeed examples of life cycle costing show a strong advantage when compared to diesel generators or even in some cases the electricity grid system, when maintenance costs are taken into consideration. The basic component of any solar electric system is the solar cell, which, using a simply analogy operates in a manner similar to a diode. The principal raw material silicon is intensely refined to remove unwanted impurities. A model of photovoltaic cell is important for simulation of photovoltaic systems. The model for modeling for photovoltaic cell, which is base on equivalent electrical circuit approach, is developed. The model shown in Fig. 1 xivip O Isr Rs -A/W.Rsh Ç>.I Fig.l The Model of Photovoltaic Cell There are two basic type of the solar power system. Most common are self-contained power systems. In the developed world however increasingly important are so-called grid-connected systems. These are subtly different as they work with rather than instead of the electrical grid. The typical current-voltage characteristics of a solar cell is given in Fig.2 Fig.2 The Typical current-voltage Characteristic of a Solar Cell Where solar is used as the only power system the remaining elements of the complete solar electric power system are specifically designed batteries to store energy and thus ensure the continuity of power supply when the sunlight is insufficient either during the night or period of poor weather e.g. heavy cloud cover and a charge control unit to create an effective and efficient battery charging regime between the solar modules and batteries. Grid connected systems do away with the need for batteries. In these systems the solar panels are simply interconnected via safety equipment and an inverter to gird. When more power is required than the solar panels can provide, grid supply feed this excessive load. At other times the solar panels may contribute to grid when more power is produced than used. The conventional type current controlled three-phase inverter made possible the application of high power system. The system basic block diagram is shown in Fig.3. System has better efficiency at high power applications. xvJfww Ra La Fig. 3 Current-controlled three-phase inverter The system shown in figure will be presented in this study. First the system model will be constructed and than the proper control strategy will be developed. The resulting system will be changed and modified after the simulations have been completed. The principle system is shown in Fig. 4 L Fig. 4 Principle System Representation As shown in the figure the system is so simple in the nature. System constitutes a first order system. The controlled current component is depending on supply and the utility voltage. The utility parameter is very small compared to the inductance of the inverter. So the current control characteristic is depend on mostly the inductance of the inverter. It can be easily seen that the system can be controlled by application of PI controller. When the PI control introduced the steady state error become zero. The root locus of the controlled system is shown in Fig.5 xviI mag Axis 3000 2000 1000 -1000- -2000 -3000, e ;c -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 Real Axis Fig. 5 The root-locus diagram of the controlled system Control system simulation and real time simulation results shows that system produces some harmonics. System real time simulation results presented below. System output current waveform is shown in Fig.6 System presented above forms the predesign of the selected project. Power stage and control stage block designs are made. Then the components ratings used in power stage are determined and control stage printed circuit boards and special additional circuits are produced. 4.00 80.0 -4.00 -80.0 2.00M 6.00M 10.0M 14.0M 18.0M TIME in Sees Fig.6 Output Current and Reference Voltage Waveform xviiThe laboratory prototype is produced the way that is presented above and some practical problems arising due to system are introduced and the solutions are presented. The system tested with a DC bus simulating the solar cell, three phase controlled bridge rectifier. The grid used in the tests is in which the laboratory that the system is set. Test result are stored with digital storage oscilloscope and presented at the end of study. 1,20.0V Fig.7 Output Current Waveform (Prototype) The output current waveform of prototype system is presented in Fig. 7.As it is seen in the figure output current follows the reference signal. But some low order harmonics due to grid impedance can be seen in output current waveform. Beside this point high order harmonics are the same as in the simulations. In a future study the nonlinearity effect of the grid can be taken in to consider and the proper controller can be designed. High order harmonics can be reduced by using different switching strategy. xvm

Benzer Tezler

  1. Tez No

    120406

    İzmir (Bornova) koşullarında şebekeye bağlı fotovoltaik bir sistemin tasarlanıp denenmesi

    Design and test of a grid connected photovoltaic energy system at İzmir (Bornova)

    MUTLU BOZTEPE

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2002

    EnerjiEge Üniversitesi

    Güneş Enerjisi Ana Bilim Dalı

    PROF.DR. METİN ÇOLAK

  2. Tez No

    628465

    Single-walled carbon nanotube based metamaterial absorber for solar cell application

    Güneş pili uygulamaları için tek duvarlı karbon nanotüpler tabanlı meta malzeme soğurucusu

    MADİNA OBAİDULLAH

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Sürdürülebilir Çevre ve Enerji Sistemleri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CUMALİ SABAH

    DOÇ. DR. VOLKAN ESAT

  3. Tez No

    382367

    Hibrit enerji üretim sisteminde üretilen enerjinin mikrodenetleyici kullanılarak denetimi ve etkinliğinin araştırılması

    Hybrid power generation systems control with microcontroller and investigation efficiency for producing energy

    YAVUZ BAHADIR KOCA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAfyon Kocatepe Üniversitesi

    Yenilenebilir Enerji Sistemleri Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. AHMET YÖNETKEN

    DOÇ. DR. YÜKSEL OĞUZ

  4. Tez No

    578668

    Monolit kanallı katalizörlerde doğalgazdan hidrojen eldesinin ve doğalgaz - hidrojen karışımlarının yakılmasının deneysel ve teorik analizi

    Experimental and theoretical analysis of hydrogen production from natural gas and combustion of natural gas - hydrogen mixtures on monolith catalysts

    ASLI SAYAR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NURDİL ESKİN

  5. Tez No

    309876

    Lamellar grating interferometer based MEMS Fourier transform infrared spectrometer

    Kırınım ızgaralı girişim ölçer temelli MEMS Fourier dönüşümü kızılötesi spektrometre

    NADİRE PELİN AYERDEN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HAKAN ÜREY

Geri Dön