Güneş Paneli Sistemlerinin tasarımı

Dünyanın en önemli enerji kaynağı güneştir. Güneşin ısınım enerjisi, yer ve atmosfer sistemindeki fiziksel oluşumları etkileyen başlıca enerji kaynağıdır. Dünyadaki madde ve enerji akışları güneş enerjisi sayesinde mümkün olabilmektedir. Rüzgâr, deniz dalgası, okyanusta sıcaklık farkı ve biyokütle enerjileri, güneş enerjisinin değişim geçirmiş biçimleridir. Güneş enerjisi, doğadaki su döngüsünün gerçekleşmesinde de rol oynayarak, akarsu gücünü oluşturmaktadır. Doğal enerji kaynaklarının pek çoğunun kökeni olan güneş enerjisinden, ısıtma ve elektrik elde etme gibi amaçlarla doğrudan yararlanılmaktadır. Güneş enerjisi çevre açısından temiz bir kaynak özelliği taşıdığından fosil yakıtlara alternatif olmaktadır. Yeryüzüne her yıl düşen güneş ısınım enerjisi,yeryüzünde şimdiye kadar belirlenmiş olan fosil yakıt haznelerinin yaklaşık 160 katı kadardır. Ayrıca yeryüzünde fosil, nükleer ve hidroelektrik tesislerinin bir yılda üreteceği enerjiden 15.000 kat kadar daha fazladır.Ayrıca, güneş enerjisi hem bol, hem sürekli ve yenilenebilir hem de bedava bir enerji kaynağıdır. Bunların yanı sıra geleneksel yakıtların kullanımından kaynaklanan çevresel sorunların çoğunun güneş enerjisi üretiminde bulunmayışı bu enerji türünü temiz ve çevre dostu bir enerji yapmaktadır.Yakıt sorununun olmaması, işletme kolaylığı, mekanik yıpranma olmaması,modüler olması, çok kısa zamanda devreye alınabilmesi (azami bir yıl),uzun yıllar sorunsuz olarak çalışması ve temiz bir enerji kaynağı olması gibi nedenlerle dünya genelinde fotovoltaik elektrik enerjisi kullanımı sürekli artmaktadır. Güneş pilleri, halen ancak elektrik şebekesinin olmadığı,yerleşim yerlerinden uzak yerlerde, jeneratöre yakıt taşımanın zor ve pahalı olduğu durumlarda ekonomik yönden uygun olarak kullanılabilmektedir. Bu nedenle genellikle sinyalizasyon ve kırsal elektrik ihtiyacının karşılanması gibi uygulamalarda kullanılmaktadır. Ülkemizde çoğunluğu Orman Bakanlığı’nın gözetleme kuleleri, Türk Telekom, deniz fenerleri ve otoyol aydınlatmasında, Elektrik İşleri Etüt İdaresi Genel Müdürlüğü, Muğla Üniversitesi,Ege Üniversitesi gibi kamu kuruluşlarında olmak üzere küçük güçlerin karşılanması ve araştırma amaçlı kullanılan güneş pili kurulu gücü 1 MW’a ulaşmıştır.
Güneş enerjisi teknolojisinin öneminin gün geçtikçe artması bu çalışmanın gerçekleştirilmesinin ana nedeni olup, yapılan literatür araştırmalarında ülkemizde güneş panel sistemleri ve bileşenlerine ait detaylı bilginin sunulmadığının görülmesi ve bu sistemlerin tasarımı ile ilgili herhangi bir çalışmanın bulunmaması çalışmayı gerçekleştirmenin diğer önemli nedenlerindendir.Bu çalışmada şebekeden bağımsız bir güneş paneli sisteminde yer alması gereken bileşenler hakkında detaylı bilgi sunularak ve bu bileşenlerin seçiminde dikkat edilmesi gereken unsurlar tartışılmıştır.Ayrıca, yük ihtiyacı günlük ortalama 5 kW-saat olan bir ev için örnek bir tasarım yapılarak kurulum maliyeti hesaplanmıştır.
2. Sistem Bileşenleri
Güneş pili modülleri uygulamaya bağlı olarak, akümülatör, evirici (invertörler), akü şarj denetim aygıtları ve çeşitli elektronik destek devreleri ile birlikte kullanılarak bir güneş pili sistemi (fotovoltaik sistem) oluşturur. Bu sistemlerde yeterli sayıda güneş pili modülü, enerji kaynağı olarak kullanılır. Güneşin yetersiz olduğu zamanlarda ya da özellikle gece süresince kullanılmak üzere genellikle sistemde akümülatör bulundurulur. Güneş pili modülleri gün boyunca elektrik enerjisi üreterek bunu akümülatörde depolar ve yüke gerekli olan enerji akümülatörden alınır. Akünün aşırı şarj ve deşarj olarak zarar görmesini engellemek için kullanılan denetim birimi (şarj regülatör) ise akünün durumuna göre, ya güneş pillerinden gelen akımı ya da yükün çektiği akımı keser. Şebeke uyumlu alternatif akım elektriğinin gerekli olduğu uygulamalarda, sisteme bir evirici (invertör)eklenerek akümülatördeki DC gerilim, 220 V-50 Hz’lik sinüs dalgasına dönüştürülür.Benzer şekilde, uygulamanın şekline göre çeşitli elektronik devreler sisteme entegre edilebilir. Bazı sistemlerde, güneş pillerinin maksimum güç noktasında çalışmasını sağlayan maksimum güç noktası izleyici cihazı bulunur. Sistemin temel elemanları aşağıdaki Şekil-1’de görülmektedir.

 
Şebeke bağlantılı güneş pili sistemleri yüksek güçte sistemler şeklinde olabileceği gibi daha çok görülen
uygulaması binalarda küçük güçlü kullanım şeklindedir. Bu sistemlerde örneğin bir konutun elektrik gereksinimi karşılanırken, üretilen fazla enerji elektrik şebekesine satılabilir ve yeterli enerjinin üretilmediği durumlarda ise şebekeden enerji alınabilir. Böyle bir sistemde enerji depolaması yapmaya gerek yoktur, yalnızca üretilen DC elektriğin, AC elektriğe çevrilmesi ve şebeke uyumlu olması yeterlidir. Bir evin günlük elektrik tüketimi kWsaat cinsinden hesaplanmaktadır.Evlerde kullanılan günlük ortalama enerji tüketimi değişim göstermektedir.Günlük elektrik tüketimi aylık elektrik faturasındaki tüketim miktarından yola çıkarak kW-saat cinsinden hesaplanabilir.
Evlerde kullanılan her cihazın tükettiği güç bellidir. Örneğin, 10 adet 100 W’lık lamba seti saatte 1 kW-saatlik bir tüketim yapacaktır. Fotovoltaik panellerin de saatlik üretim miktarı aynı şekildedir. Örneğin, 8 adet 130 W’lık kapasiteye sahip panel saatte 1040W-saatlik bir üretim yapacaktır.