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 : zekibilgin2005@hotmail.com.

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