Termoelektrik modülün iki yönlü kullanıldığı fotovoltaik sistemlerin modellenmesi

Fotovoltaik (PV) dönüşüm sırasında, güneş ışınımının yalnızca belirli bir yüzdesi (teorik olarak maksimum %33) elektrik üretimine katkıda bulunurken, kalan enerji ısı olarak dağılır ve bu da PV hücrelerinin sıcaklığının artmasına neden olur. PV hücrelerin ısınmasına sebep olan ısıyı ortadan kaldırmaya veya kullanmaya yönelik pek çok araştırma yapılmıştır. PV sistemlerin veriminin artırılması kapsamında yapılan çalışmalardan bazıları ise PV sistemlerin termoelektrik (TE) sistemlerle birlikte kullanılmasıdır. TE sistemler ısıl enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürebilen ya da ters yönde yani elektrik enerjisi kullanarak soğutma makinası ve ısı pompası olarak iki yönlü çalışabilen sistemlerdir. PV-TE hibrit sistemlerle ilgili çalışmalarda, PV sistemlerde oluşan ısının, termoelektrik jeneratör (TEG) modüllerle elektrik enerjisine dönüştürülerek geri kazanılması ile toplam verimin artırılması amaçlanmıştır. Bununla birlikte, termoelektrik soğutucu (TEC) modüllerle PV hücrelerin soğutulması yoluyla verim artışı sağlamayı, ya da PV hücrelerin aşırı sıcaktan korunmasını amaçlayan çalışmalar da bulunmaktadır. Bu tez, MATLAB/Simulink yazılımında devre simülasyonlarında kullanılmak üzere termoelektrik modüller (TEM'ler) için iki yönlü bir model sunmaktadır. Bu çalışmanın amacı, hem termoelektrik jeneratör (TEG) hem de termoelektrik soğutucu (TEC) modül parametrelerini ve bunların işlemlerini birleştirerek Simulink kütüphanesindeki diğer devre elemanları gibi tek bir blok geliştirmektir. TEG ve TEC, çoğunlukla ana malzemesi Bi2Te3 gibi benzer sıcaklık aralıkları için aynı olan termoelektrik cihazlar olduğundan, bir TEG, TEC olarak çalıştırılabilir ve bunun tersi bir TEC, TEG olarak çalıştırılabilir. PV-TE, yakıt hücresi-TE ve elektrikli araçların batarya sıcaklık yönetimi gibi bazı sistemlerde, modüller her iki modda da kullanılabilir. Ayrıca, bu sistemlerin bazılarında, bazen TEM'in jeneratör olarak, bazen de soğutucu olarak çalıştırılması gerekebilir. TEM'in iki yönlü çalışması, iki tip TEM'in birlikte kullanılması gerekmediği için maliyet tasarrufu sağlayan bir yaklaşımdır. Literatürdeki simülasyon modelleri incelendiğinde mevcut modellerin TEM'lerin iki yönlü kullanımıyla tam olarak uyumlu olmadıkları görülmüş ve bu tezde iki yönlü çalışmaya uygun yeni bir model önerilmiştir. Bu model, çalışma moduna, yani TEG veya TEC'e karar vermek için TEM'in hem ısıl hem de elektriksel portlarının polariteleriyle ilgilenmektedir. Hem TEG hem de TEC işlemleri için maksimum parametreler ve performans parametreleri, cihazın istenen çalışma koşulları için gözlemlenmesi ve kontrol edilmesi amacıyla modül bloğuna dahil edilmiştir. Sıcaklığa bağlı parametrelerle yapılan simülasyonların veri sayfasındaki grafiklere çok yakın sonuçlar verdiği görülmektedir. Ancak Thomson ısısının göz ardı edilmediği simülasyonlar, veri sayfasına kıyasla daha fazla sapmaya sahiptir. Dahası, sabit malzeme özelliklerine sahip simülasyonlar, daha yüksek ∆T seviyelerinde Thomson ısısı içerenlerden daha iyi sonuçlar vermiştir. ∆T 10 °K iken, Thomson ısısı olmadan COPmax, veri sayfasındaki ile aynı olan 3,399 olarak bulunmuştur. Bu arada, Thomson ısısıyla COPmax 3,7147 olarak, sabit özelliklerle COPmax ise 3,8057 olarak bulunmuştur. Ancak; ∆T 50 °K iken, Thomson ısısı olmadan COPmax 0,247'dir ki bu da veri sayfasındaki ile aynıdır, ancak Thomson ısısıyla COPmax 0,341'dir ve sabit malzeme özellikleriyle COPmax 0,268'dir. Ayrıca, ısıl ve elektriksel portların değişken polariteleri altında, TEM'in iki yönlü çalışmasının başarıyla sağlandığı ve TEM'in aynı simülasyonda hem TEG hem de TEC olarak çalıştırıldığı gösterilmiştir. Tezde önerilen TEM modelinin PV-TE hibrit sistemlerde iki yönlü kullanılabilmesine yönelik MATLAB/Simulink ortamında ısı geçişi modeli kurulmuştur. Simülasyonlarda aynı TEM modeli hem PV-TEG sistemde elektrik üretimi için kullanılmış, hem de PV-TEC sistemde PV hücrelerin soğutulmasında kullanılmıştır. Ayrıca simülasyon modeli ile gerçek sistemin çalışmasının kıyaslanması amacıyla örnek bir PV-TE hibrit deney sistemi gerçekleştirilmiştir. 39x39 mm2 boyutlarında özel kesim PV hücreleri arada ısı transfer malzemesi olmak üzere doğrudan 40x40 mm2 boyutlarındaki TEM'lerin üzerine irtibatlandırılmıştır. TEM'lerin diğer yüzeylerine ısı alıcı takılmıştır. Sette kullanılan PV ve TE sistemlerin elektriksel karakteristiklerini deneysel olarak elde etmek için Arduino UNO mikrodenetleyici tabanlı bir ölçüm ve veri kayıt sistemi oluşturulmuştur. Arduino ile kontrol edilen buck tipi DC-DC dönüştürücü tasarlanmış, PWM çalışma oranı değiştirilerek sistemin değişken yük altındaki gerilim, akım ve güç değerleri elde edilmiştir. Güneş ışınımı ölçümü için Arduino tabanlı ışınım ölçer tasarlanmış ve doğruluğu piranometre ile kalibre edilmiştir. Simülasyonlarda TE modüllere bağlanmış olan ısı alıcıların soğutma kapasitelerinin PV hücrelerin ısınmasında önemli olduğu görülmüştür. Deney koşullarının simülasyonu yapıldığında h.A soğutma kapasitesi 0,8 W/K alındığında PV hücre yüzey sıcaklıkları 303 °K (30 °C) ve ∆T TEG modül yüzey sıcaklıkları farkı 1,79 °K iken, h.A 0,03 W/K alındığında PV hücre yüzey sıcaklıkları 321,9 °K (48,9 °C) ve ∆T TEG modül yüzey sıcaklıkları farkı 1,172 °K bulunmuştur. PV hücre sıcaklıkları 49 °C civarında ölçüldüğünden bu sonuca göre h.A 0,03 W/K değerinin simülasyonlarda kullanılmasının daha gerçekçi çıktılar vereceği düşünülmektedir. Deney düzeneğinde kullanılan ısı alıcıların soğutma kapasitesi sınırlı olduğundan, simülasyonda TEC soğutma ile PV hücre sıcaklığının 48,34 ℃'ye kadar düşürülebileceği ve akımın daha fazla artırılması ile daha fazla soğutma gücü harcanmasına rağmen mevcut ısı alıcı sistemle PV hücre sıcaklığının daha fazla düşürülemeyeceği bulunmuştur. MPPT ile kontrol edilen sistemlerde, PV sistem gücü ortalama değerleri için simülasyon ve deney sonuçları birbirine oldukça yakın çıkmış olup, simülasyon sonucu 1,375 W ve deney sonucu 1,382 W bulunmuştur. Aralarındaki fark %0,29'dur. TEG sistemde üretilen gücün ortalama değeri simülasyonda 1,517 mW, deneyde ise 1,590 mW olup, sonuçlar arasındaki fark %4,59'dir. Simülasyonda PV hücre sıcaklığı 49,14 ℃ bulunmuş, deneyde ise 49 ℃ olup, sonuçlar arasındaki fark %2,8'dir. Deney düzeneğindeki şartlar düşünülerek, TEG'li ve TEG'siz sistemlerin kıyaslamasının yapıldığı simülasyonların sonuçlarına göre, TEG'li sistemde üretilen PV+TEG toplam güç, sadece PV hücreler bulunan sistemde üretilen güçten daha düşük olmuştur yani PV hücreler ile birlikte TEM ve ısı alıcı kullanıldığı sisteme kıyasla, aradan TEM'in çıkarılarak ısı alıcının doğrudan PV hücrelere bağlı olduğu sistemdeki verim daha yüksek çıkmıştır. Örneğin; PV-TEG sistemde PV hücre sıcaklığı 48,88 ℃, PV sistem gücü 1,49 W ve TEG sistem gücü 1,536 mW iken, yalnız PV hücreler (ısı alıcılı, TEG'siz) bulunan sistemde PV hücre sıcaklığı 48,17 ℃ ve PV sistem gücü 1,497 W olmuştur. Simülasyon ve deney sonuçları genel olarak benzerlik göstermekte olup, aralarındaki farklar çeşitli etkenlerden kaynaklanmaktadır. Rüzgar etkisinin simülasyonlara dahil edilmesi amacıyla, rüzgar hızı 1 m/s olarak alınmıştır. Deneyler ise yarı açık bir balkon ortamında, güneşli ve bulutsuz bir havada gerçekleştirilmiş; rüzgar hızı ile ışınımın deney süresince sabit kaldığı varsayılmıştır. Simülasyonlarda ısı geçişi modeli için sürekli rejim (kararlı hal) denklemleri kullanılmıştır. Deneyler ise değişken çevre koşullarında yapılmış ve sonuçlar, sürekli rejim sağlandıktan sonra alınmıştır. Ayrıca, deneylerde kullanılan PV hücreler ve TEM'ler, veri sayfalarındaki karakteristiklerinden farklı davranışlar sergilemiştir. Aynı tip hücre ve modüller dahi birbirinden farklı çalışma sonuçları göstermiştir. Bu nedenle, deneylerde ölçülen PV hücre sıcaklıkları farklılık göstermiş ve ortalama değerler alınarak değerlendirme yapılmıştır. Sıcaklık, ışınım, akım ve gerilim ölçüm sensörlerinden kaynaklı hatalar da deney ve simülasyon sonuçları arasındaki farklara katkıda bulunmuştur. DC-DC dönüştürücü tarafında ise malzeme iç dirençleri gibi elektronik bileşenlere ait karakteristik değerler veri sayfalarından edinilerek simülasyon modeline dahil edilmiştir. Bununla birlikte, bu bileşenlerin çevre ve çalışma koşullarından etkilenmediği varsayılmıştır. Deneyde DC-DC dönüştürücünün PWM anahtarlaması, 8 bit çözünürlüklü Arduino UNO mikrodenetleyici ile gerçekleştirilmiştir. MPPT işlemi, P&O algoritmasıyla sağlanmış; çalışma oranı değişimleri, iterasyon basamaklarında %1,916'ya (5/255) karşılık gelecek şekilde ayarlanmıştır. Algoritmada yön değiştirme hatalarını önlemek amacıyla bu değer daha da düşürülmemiştir. Simülasyonda kullanılan MPPT algoritmasında da aynı %1,916'lık değişim uygulanmış, ancak bu durumda PV sistem gücündeki dalgalanmalar, deneyde gözlemlenenlere göre daha yüksek olmuştur. Simülasyon sonuçlarına göre PV-TE sisteminde TEG'den daha fazla güç çıkışı elde edebilmek için ışınım seviyesinin ve TEM ısı alıcısının soğutma kapasitesinin yüksek olması gerekmektedir. Buna benzer şekilde, farklı şartlarda PV-TEG enerji üretim sisteminin veya PV-TEC enerji üretim-soğutma sisteminin nasıl çalışacağı üzerine farklı senaryoların simülasyonları yapılabilir. Sonuç olarak, bu tezde oluşturulan simülasyon modelinin, fiziki uygulama aşamasına geçilmeden önce sistem tasarımı ve sistemin boyutlandırılması gibi konularda yardımcı bir araç olacağı görülmektedir.