Şebekeye Bağlı Solar Sistem Kurulum-2

21 Temmuz 2009

Şebekeye bağlı güneş enerjisi solar PV sistem kurulumuyla ilgili detaylı bilgilendirme yapmaya çalıştığımızı yazı dizimizin ikinci bölümünde, inverter ve sistem mimarisi arasındaki ilişkiye ve bu ilişkiye göre belirlenen sistem çeşitlerine değiniyoruz...

Bölüm 2: Sistem Genel Yapısı

Güneş enerjisi solar PV sistem kavramları inverter sistem bileşenleri tarafından belirlenir. Sistemleri merkezi ve merkezi olmayan yapılar olarak ayırabiliriz. Dizileri oluşturmak üzere yapılan modül bağlantıları ve farklı dizilerin birbirine paralel olarak bağlanması inverter tarafından koordine edilir. Güneş enerjisi modüllerinin çıkış toleransına göre dizi halinde bağlandıklarında az ya da çok mutlaka uyumsuzluk kayıpları meydana gelir. TUV Rheiland PV Sertifikasyon Laboratuarından Werner Hermann uyumsuzluk kayıplarıyla modül çıkış toleranslarının ve modüllerin dizi içindeki konumunun ilişkisini araştırmış. Bu araştırmanın sonuçları aşağıdaki şekilde görülmektedir.     

 

Şekilden de görüldüğü gibi uyumsuzluk kayıplarının en aza indirilmesi için, modüller dizi içinde maksimum akım değerlerine (I_MPP) göre sıralanmalıdır. Güneş enerjisi solar PV sistemlerinde kullanılan inverterler 3 gruba ayrılabilir;

• Bütün sistemin bağlandığı merkezi inverterler
• Panel dizilerinin bağlandığı dizi inverterler.
• Tek bir panelin bağlandığı panel inverterler

Merkezi İnverter

Düşük Gerilim Kavramı 

Alçak gerilimli (<120V) sistemlerde bir dizide seri olarak bağlı sadece bir kaç panel bulunur (3 - 5 standart panel). Bu kısa dizilerin avantajı, gölgelenme kayıplarını azaltmasıdır. Bir dizide gölgelenen bir panelin akımı dizinin tamamını belirler ve bir PV panel dizisi ne kadar uzunsa, bu dizideki bir panelin gölgelenme ihtimali de yüksek olur.

Bunun yanı sıra, 120 V'un altındaki bir gerilimle tasarımı Koruma Sınıfı III'e göre ayarlamak mümkündür (Tablo.1'e bakınız). Bu tip bir bağlantının olumsuz bir yanı, yüksek akımların ortaya çıkmasıdır. Bunun sonucunda da kayıpları azaltmak için daha büyük kesitli kablolar seçilmelidir. Bu sebepten dolayı, bu tip bir tasarım uygulamada yaygın değildir. Genel uygulama alanları binalara entegre solar PV sistemleridir.    

Elektriksel Koruma Sınıfları		Sembol
	Cihaz toprak bağlantılı
Sınıf II	Koruma yalıtımı (çift kat / kuvvetlendirilmiş yalıtım)
Sınıf III	Düşük Gerilim (Max AC: 50V; Max DC: 120V

Tablo.1 Koruma Sınıfları

Hollanda firması OKE Service çerçevesiz kristal modüllerin by-pass diyodları olmaksızın paralel bağlandığı bir kavram geliştirmiştir. Bu kavramın en önemli özelliği, metal çerçevelerin ve destek elemanlarının elektriğin iletilmesinde ve modüllerin birbirlerine paralel bağlanmasında kullanılmasıdır. Bu sayede DC kablolama ve sigorta, birleştirme kutusu gibi bileşenlere gerek duyulmamaktadır. Kablosuz PV adı verilen bu sistemin bir diğer avantaj da gölgeleme kayıplarını minimize etmesidir. Bu üstünlükler bu bağlantı şeklini gölgelenmenin görüldüğü bina sistemlerinde tercih edilebilir kılmaktadır.

Fakat bu sistem şu ana kadar çok fazla uygulama alanı bulamamıştır. Bunun da sebebi, modül - modül çerçevesi arasında bağlantıyı sağlayacak bileşenin sadece prototip aşamasında olup, seri üretiminin bulunmamasıdır. Ayrıca düşük gerilimle çalışan inverterler de piyasada çok fazla tercih edilmemektedir.  

Yüksek Gerilimli Sistemler  

Daha uzun diziler ve bunlarda ortaya çıkan yüksek gerilimler (>120V) için Koruma Sınıfı II önlemleri gereklidir. Bu kavramın avantajı ortaya çıkan düşük akımlar sayesinde daha düşük kablo kesitlerinin kullanılabilmesidir. En önemli dezavantaj ise, uzun dizilerde yüksek gölgelenme kayıplarının ortay çıkmasıdır.

Şekil 3: Merkezi inverterli yüksek gerilimli sistem

Master - Slave Kavramı  

Büyük çaplı güneş enerjisi solar PV sistemleri master - slave prensibine dayanan merkezi inverter kavramını kullanırlar. Bu sistem kavramında birden fazla sayıda inverter kullanılır (genelde 2 yada 3). İnverter güç boyutlandırması için toplam güç inverter sayısına bölünür. İnverterlerden birisi master konumundadır ve güneş ışınımlarının düşük olduğu durumlarda tek başına çalışır. Güneş ışınımının artmasıyla, master cihazın güç limiti aşılır ve diğer inverter (slave) devreye girer. İnverterlerin eşit miktarda yüklenmesi bakımından master ve slave inverter rotasyonel olarak yer değiştirirler.

Bu mimarinin avantajlı tarafı, düşük güneş ışınımında sadece bir (master) inverterin devrede olmasıdır; böylece düşük çıkış güç aralıklarında verim tek bir inverterin kullanıldığı merkezi mimarilere göre daha yüksek olur. Fakat birden fazla sayıda inverter kullanmak maliyet açısından avantajlı değildir.

Master - slave mimarisinin bir örneği, Münih'te Neue Messe binasının çatısında bulunan 1 MW kurulu gücündeki güneş enerjisi solar PV sistemidir.

Alt - grup ve Dizi İnverter Kavramı 

Kurulu gücü 3 KW'a kadar olan sistemler genellikle dizi invertere sahiptirler. bu tip sistemlerin bir çoğunda bütün solar PV modül grubu bir dizi oluşturur. Orta ölçekli sistemler çoğunlukla bir invertere bağlı 2 yada 3 dizi halinde, alt gruplar şeklinde tasarlanırlar. Şu anda güneş enerjisi solar PV piyasasında, şebekeye bağlı inverter sınıfında dünyada en çok satış yapan SMA firmasının ürettiği Sunny Boy ürün grubu bu mantığa göre çalışmaktadır.

Farklı yönlerde konumlandırılmış güneş panel gruplarına sahip ya da gölgelenmeye maruz kalan sistemlerde alt - grup ve dizi inverter kavramı daha diğer seçeneklere göre yüksek performans gösterir. Bu durumda her bir alt grup ya da dizi için bir inverter kullanılır. Bu mimari de dikkat edilmesi gereken husus panel yönlendirmesi ve gölgelenme rejimi birbirine denk olan paneller bir alt - grup ya da dizi oluşturmalıdır. Uzun dizilerden de kaçınılmalıdır. Çünkü, uzun dizilerde gölgelenme ihtimali yüksektir ve gölgelenmeye maruz kalan panelin akımı bütün dizinin akımını belirler.

Dizi inverter kullanmak sistem kurulumunu kolaylaştırır, böylece kurulum maliyetleri de azalmış olur. Piyasada satılan dizi inverterleri 500 W çıkış gücünden başlamaktadır.  

 Şekil 5: Alt - grup ve dizi inverter yaklaşımı

İnverterin direkt olarak modül dizilerine bağlanması sonucunda şu avantajlar ve maliyet kazanımlar ortaya çıkar;

• Bağlantı kutusu kullanmaya gerek kalmaz,
• Kullanılan kablo miktarında önemli miktarda tasarruf sağlanır, DC ana kablosu kullanmaya gere k kalmaz.

Almanya'nın Kuzey Ren Westphalia eyelatinin Heme şehrinde kurulu 1 MW nominal gücündeki sistem bu alt - grup / dizi inverter mimarisine güzel bir örnektir. Bu sistemde 569 adet dizi inverter kullanılmıştır. Binanın mimari yapısına uyum sağlanması için, 6 değişik tipte güneş enerjisi solar PV modülü kullanılmıştır. 16 farklı dizi konfigürasyonu nedeniyle, dizilerin gerilimleri arasında farklar bulunmaktadır. Dizi inverterler farklı MPP gerilimleri arasındaki düzenlemeyi sağlamaktadır.

Şekil 6: Dizi inverter mimarisine örnek : Almanya Heme'deki 1 MW'lık sistem

Modül İnverter Kavramı  

Yüksek sistem veriminin ön koşullarından birisi de inverterle modüller arasındaki uyumun yüksek olmasıdır. Sistemdeki her bir modül sürekli kendi MPP (Maximum Power Point - Maksimum Güç Noktası) sinde çalışırsa sistemden en yüksek verim elde edilebilir. Eğer güneş enerjisi solar PV modülleri ve inverterler tek bir birim halinde çalışırlarsa MPP takibi başarı oranı artar. Bu modül - inverter birimlerine AC modül de denmektedir.

Bu sistem mimarisinin bir diğer avantajı da sistem genişlemesini çok basit bir hale indirgemesidir.

Modül inverterlerin en büyük dezavantajı olarak ise düşük verimleri gösterilmektedir. Gerçekte bir modül inverterinkiyle diğer inverterlerin verimleri arasında iddia edildiği gibi bir fark bulunmamaktadır. Bunu aşağıdaki Şekil 8'de de görebiliriz. Dahası modül inverterdeki düşük verimin, MPP takibinin daha hassas bir şekilde gerçekleştirilmesiyle kompanse edildiği açıktır.

 Şekil 8: Modül inverter ve merkezi inverter eğim eğrileri  

Modül inverterlerin piyasa satış fiyatları şu anda göreceli olarak yüksektir. AC modül ar - ge üretiminin yüksek miktarlara çıkmasıyla fiyatların düşmesi beklenmektedir.

Modül inverter kavramına en uygun uygulamalar façade olarak bilinen bina yüzeyi solar PV uygulamalarıdır. Kısmi gölgelenmelerin çok sık görüldüğü bu uygulama tipinde yüzeye entegre cam modüllerle kullanılan modül inverterler direkt olarak binanın enerji dağıtım kutusuna bağlanabilirler.

Şekil 9: Modül inverter