devre temelli fotovoltaik hücre modeli - Kocaeli Üniversitesi
devre temelli fotovoltaik hücre modeli - Kocaeli Üniversitesi
devre temelli fotovoltaik hücre modeli - Kocaeli Üniversitesi
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
DEVRE TEMELLİ FOTOVOLTAİK HÜCRE MODELİ<br />
Murat ÜNLÜ Sabri ÇAMUR Birol ARİFOĞLU<br />
<strong>Kocaeli</strong> <strong>Üniversitesi</strong>, Mühendislik Fakültesi Elektrik Mühendisliği Bölümü<br />
Umuttepe Yerleşkesi, 41380, <strong>Kocaeli</strong><br />
muratunlu@ kocaeli.edu.tr scamur@kocaeli.edu.tr barif@kocaeli.edu.tr<br />
Özet: Bu çalışmada, 80W gücündeki bir<br />
FV(Fotovoltaik) panelin deneysel bilgilerinden<br />
faydalanarak Matlab/Simulink ortamında <strong>devre</strong><br />
<strong>temelli</strong> FV <strong>hücre</strong> <strong>modeli</strong> oluşturulmuştur.<br />
Oluşturulan model <strong>devre</strong> <strong>temelli</strong> olduğu için güç<br />
elektroniği tasarımlarında kullanılması bakımından<br />
yararlı olacaktır. Bu model, güneş <strong>hücre</strong>sinin beş<br />
parametre <strong>modeli</strong> olarak da bilinen tek-diyot iki<br />
dirençli eşdeğer <strong>devre</strong>si kullanılarak<br />
oluşturulmuştur. Bu eşdeğer <strong>devre</strong>deki tek diyotun<br />
doğrusal olmayan karakteristiğine yakın bir<br />
karakteristik elde edebilmek için parçalı doğrusal<br />
diyot <strong>modeli</strong> kullanılmıştır. Bu diyot <strong>modeli</strong>,<br />
doğrusal karakteristiğe sahip birden fazla diyot ile<br />
buna seri bağlı gerilim kaynağı ve ön dirençten<br />
oluşan paralel kollar kullanılarak elde edilmiş ve<br />
gerçek diyot karakteristiğine yaklaşılmıştır.<br />
Son olarak elde edilen model kullanılarak FV<br />
<strong>hücre</strong>nin farklı ışınımlar için akım, gerilim ve güç<br />
değişimleri çıkarılmıştır.<br />
Anahtar Kelimeler: FV Hücre, Matlab/Simulink<br />
Model, Parçalı Doğrusal Diyot Modeli.<br />
1. Giriş<br />
Elektrik enerjisi üretimi için geleneksel enerji<br />
kaynakları hidroelektrik, fosil yakıtlar ve nükleer<br />
enerjidir. Dünya çapında sera gazları emisyonunun<br />
artması ve fosil yakıtların hızla tükenmesi<br />
yenilenebilir enerji kaynaklarına olan ilgiyi<br />
artırmıştır. Bu kaynaklar arasında en popüler<br />
olanlardan biri <strong>fotovoltaik</strong> (Güneş enerjisi)<br />
kaynaklardır. FV sistem güneş ışınımından elektrik<br />
enerjisi elde etmek için kullanılmaktadır. FV<br />
sistemin en temel parçası FV <strong>hücre</strong>lerdir. Bu sistem<br />
en temelden genele doğru FV <strong>hücre</strong>, modül, panel<br />
ve FV dizin olarak sıralanmaktadır.<br />
Literatürde FV <strong>hücre</strong> <strong>modeli</strong> için çeşitli<br />
yaklaşımlarda bulunulmuştur: Tek diyot ve tek<br />
direnç, tek diyot ve iki direnç, iki diyot ve iki direnç<br />
eşdeğer <strong>devre</strong> <strong>temelli</strong> modeller mevcuttur<br />
[1,2,3,4,5]. Tek diyotlu olan model üssel, iki<br />
diyotlu olan model çift üssel model olarak da<br />
geçmektedir. Tek diyotlu olan model, tek üssel<br />
ifade içerdiğinden, iki diyotlu modele göre daha<br />
basit yapıda olduğundan dolayı simülasyon<br />
çalışmaları için daha geniş bir kullanıma sahiptir,<br />
fakat iki diyotlu olan model daha doğru sonuç<br />
vermekle birlikte çift üssel ifade içerdiğinden<br />
dolayı sıcaklık ve ışınımla değişen parametrelerin<br />
hesaplanması daha zor olmaktadır [6]. Bu<br />
çalışmada Şekil 1’de gösterilen tek diyot iki direnç<br />
FV <strong>hücre</strong> <strong>modeli</strong> kullanılmıştır. Bu model 5<br />
parametre <strong>modeli</strong> olarak da geçmektedir.<br />
FV <strong>hücre</strong> <strong>modeli</strong>nde bulunan diyotun doğrusal<br />
olmayan karakteristiğine yakın karakteristik elde<br />
edebilmek için parçalı doğrusal diyot <strong>modeli</strong><br />
kullanılmıştır [7].<br />
Bu çalışmada 80 W gücündeki Sharp NE-<br />
80EJEA panel <strong>hücre</strong>sinin deneysel verileri<br />
kullanılarak Matlab/Simulink ortamında <strong>devre</strong><br />
<strong>temelli</strong> <strong>modeli</strong> oluşturulmuş, farklı ışınım değerleri<br />
için FV <strong>hücre</strong>nin I-V ve P-V karakteristikleri elde<br />
edilmiştir.<br />
Oluşturulan model <strong>devre</strong> <strong>temelli</strong> olduğu için güç<br />
elektroniği tasarımlarında kullanılması bakımından<br />
yararlı olacaktır.<br />
2. FV Hücre Modeli<br />
Güneş pilleri p-n yarı iletkenlerinin ince bir<br />
katman haline getirilerek birleştirilmesinden oluşur.<br />
Karanlıkta FV <strong>hücre</strong> çıkış I-V karakteristiği diyot<br />
karakteristiğine çok benzer. Işığa maruz kaldığında<br />
fotonlar sayesinde elektron hareketi dolayısı ile<br />
akım sağlanır. FV <strong>hücre</strong>leri ihmallerin göz önüne<br />
alınmadığı durumda; Şekil 1’deki gibi bir akım<br />
kaynağı, akım kaynağına paralel bağlı direnç ile<br />
diyot ve oluşan yapıya seri bağlı bir direnç ile ifade<br />
edilirler.<br />
Şekil 1. FV <strong>hücre</strong> tek diyot iki dirençli eşdeğer<br />
<strong>devre</strong>si<br />
Beş parametre <strong>modeli</strong> olarak da adlandırılan bu<br />
modeldeki adı geçen parametreler, IL, Io, Rp,Rs ve<br />
n dir. Burada IL, FV <strong>hücre</strong> tarafından üretilen akımı,<br />
Io diyotun ters doyum akımını, Rs direnci
<strong>hücre</strong>deki iç direnci ve bağlantı dirençlerini temsil<br />
ederken, Rp direnci ise paralel kaçak akım<br />
direncini temsil etmektedir, n diyotun ideal<br />
faktörünü ifade etmekte olup 1-2 arasında değerler<br />
almaktadır.<br />
Bu <strong>hücre</strong>ye ait <strong>devre</strong>ye Kirchoff akım kanunu<br />
uygulandığında;<br />
(1)<br />
(2)<br />
(3)<br />
(2) ve (3) denklemleri (1) de yerine yazılırsa;<br />
<strong>hücre</strong>den çekilen akımı ifade eden (4) denklemi<br />
elde edilir.<br />
(4)<br />
Burada, q, bir elektron yükünü 1.6x10-19,<br />
Coulombs, k Boltzman sabiti 1.38x10-23J/K, T,<br />
Kelvin cinsinden <strong>hücre</strong> sıcaklığını ifade etmektedir.<br />
3. Parçalı Doğrusal Diyot Modeli<br />
Burada FV <strong>hücre</strong> <strong>modeli</strong> için <strong>devre</strong> <strong>temelli</strong><br />
model amaçlanmaktadır. Bu <strong>modeli</strong> oluşturmak için<br />
Şekil 2’deki tek diyotlu eşdeğer <strong>devre</strong>de bulunan,<br />
akım kaynağına paralel olan diyotun I-V eğrisinden<br />
faydalanılmaktadır. Buradan görüldüğü üzere<br />
diyotun I-V karakteristiği, akım kaynağından,<br />
<strong>hücre</strong>nin I-V eğrisinin çıkarılmasıyla elde<br />
edilmektedir.<br />
Şekil 2. FV <strong>hücre</strong> Diyot I-V eğrisi elde edilmesi<br />
Matlab/Simulink’te oluşturulacak modelde,<br />
yukarıda elde edilen diyotun doğrusal olmayan<br />
karakteristiğine daha yakın bir diyot I-V<br />
karakteristiği elde edebilmek için parçalı doğrusal<br />
diyot <strong>modeli</strong> kullanılmıştır. Bunu<br />
gerçekleştirebilmek için akım kaynağına paralel çok<br />
sayıda diyot kullanılmaktadır. Böylelikle Şekil 1’de<br />
verilen eşdeğer <strong>devre</strong> Şekil 3’de gösterilen şekle<br />
dönüşmektedir. Kullanılan diyot sayısı artırıldıkça<br />
karakteristik gerçek diyot karakteristiğine daha çok<br />
yaklaşmaktadır. Burada özellikle eğrinin dirsek<br />
bölgesi olan maksimum güç noktasına yakın<br />
bölgede daha sık diyot kullanılmıştır.<br />
Şekil 3. FV Hücre Parçalı doğrusal diyot <strong>modeli</strong><br />
eşdeğer <strong>devre</strong>si<br />
Model için deneysel olarak parametreleri bilinen<br />
Sharp NE-80EJEA güneş <strong>hücre</strong>sine ait katalog<br />
değerleri Tablo 1’de verilmektedir. Bu verilere göre<br />
FV <strong>hücre</strong>nin I-V eğrisi şekil 4’deki gibi olmaktadır.<br />
I [A]<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
Tablo I<br />
Sharp NE-80EJEA Güneş Hücresi<br />
Parametreleri<br />
Isc 5.15 A<br />
Voc 0.6 V<br />
Imp 4.63 A<br />
Vmp 0.48 V<br />
Kv -1.10 -4 V/C<br />
KI 0.53.10 -3 A/C<br />
n 1.2<br />
Io 1.72.10 -8<br />
Rs 0.007Ω<br />
Rp 2.057Ω<br />
FV Hücre I-V Eğrisi<br />
0<br />
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7<br />
V [V]<br />
Şekil 4. FV <strong>hücre</strong> I-V eğrisi<br />
(5)<br />
(6)<br />
Buradaki <strong>hücre</strong>nin akım ve gerilim değerleri<br />
Denklem (5) ve (6)’deki gibi düzenlendiğinde diyot<br />
akım (Id) ve gerilim (Vd) değerleri elde
edilmektedir. Bu değerler elde edilerek oluşturulan<br />
diyot Id-Vd eğrisi Şekil 5’deki gibi<br />
oluşturulabilmektedir.<br />
Id [A]<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
Adjusted I-V curve<br />
0<br />
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6<br />
V [V]<br />
Şekil 5. Elde edilen diyot I-V eğrisi<br />
Şekil 5’deki diyot I-V eğrisi parçalı doğrusal<br />
denklemler ile ifade edilmek istendiğinde öncelikle<br />
karakteristik üzerinde aralarında doğrusal denklem<br />
yazılacak noktalar belirlenmektedir. Şekil 6’da<br />
belirlenen noktalar ile diyot I-V karakteristiği<br />
gösterilmektedir.<br />
Id [A]<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
Diyot I-V Eğrisi<br />
0<br />
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7<br />
V [V]<br />
Şekil 6. Diyot I-V Eğrisi<br />
Şekil 6’daki karakteristik üzerinde doğrusal<br />
denklemlerin nasıl oluşturulduğunu özetlemek için<br />
eğri üzerinde üç farklı nokta seçilmiş ve Şekil 7’de<br />
gösterilmiştir.<br />
Id [A]<br />
1.8<br />
Id(6)<br />
1.6<br />
Id(5)<br />
1<br />
0.6<br />
Id(4)<br />
0.4<br />
Diyot I-V Eğrisi<br />
0.44 0.48 0.5 0.54 0.56<br />
Vd(4)<br />
Vd(5)<br />
Vd [V]<br />
Vd(6)<br />
Şekil 7. Diyot I-V Eğrisi üzerinde üç nokta<br />
Şekil 7’de gösterilen eğri üzerindeki üç nokta arasındaki<br />
doğrusal denklemler Matlab/Command Window’da<br />
Denklem (7),(8) ve (9)’daki gibi yazıldığında Şekil 3’de<br />
gösterilen paralel diyotlara bağlı ön dirençler<br />
hesaplanmaktadır. Burada denklem (8) deki gerilim<br />
değerleri aynı zamanda diyotlara seri olarak bağlı olan<br />
gerilim kaynaklarını vermektedir.<br />
Id=[,Id(4),Id(5),Id(6)]; (7)<br />
Vd=[Vdiyot(4), Vdiyot(5), Vdiyot(6)]; (8)<br />
Rdiyot = [ (Vd(5) - Vd(4)) / (Id(5)-Id(4)) , (Vd(6)-Vd(5))<br />
/ (Id(6)-Id(5) ] (9)<br />
Bu modelde gerçek diyot karakteristiğine çok yakın<br />
karakteristik elde edebilmek için akım kaynağına paralel<br />
13 tane diyot kullanılmıştır. Bu 13 paralel diyot koluna<br />
bağlı olan gerilim kaynağı ve ön dirençlerin hesabı Şekil<br />
8’de gösterilen Matlan/M-file sayfasında verilmektedir.<br />
Şekil 8. Paralel kollardaki diyota seri gerilim<br />
kaynağı ve ön dirençlerin hesabı<br />
Şekil 8’de verilen hesapların ardından<br />
Matlab/Simulink ortamında oluşturulan model Şekil<br />
9’daki gibidir.
Şekil 9. FV Hücre model iç yapısı<br />
Elde edilen FV <strong>hücre</strong> <strong>modeli</strong>nin farklı ışınımlardaki<br />
I-V ve P-V eğrileri Şekil 10 ve 11’de gösterildiği<br />
gibidir.<br />
I [A]<br />
5.5<br />
5<br />
4.5<br />
4<br />
3.5<br />
3<br />
2.5<br />
2<br />
1.5<br />
1<br />
0.5<br />
FV Hücre I-V Karakteristiği<br />
1000W/m2<br />
800W/m2<br />
600W/m2<br />
0<br />
0 0.1 0.2 0.3<br />
V [Volt]<br />
0.4 0.5 0.6<br />
Şekil 10. FV Hücre farklı ışınımlardaki I-V eğrileri<br />
P [W]<br />
2.5<br />
2<br />
1.5<br />
1<br />
0.5<br />
FV Hücre P-V Karakteristiği<br />
1000W/m2<br />
800W/m2<br />
600W/m2<br />
0<br />
0 0.1 0.2 0.3<br />
V [V]<br />
0.4 0.5 0.6<br />
Şekil 11. FV Hücre farklı ışınımlardaki P-V<br />
eğrileri<br />
5. Sonuçlar ve Öneriler<br />
Bu çalışmada oluşturulan FV Hücre <strong>modeli</strong> <strong>devre</strong><br />
<strong>temelli</strong>, kolay anlaşılır ve basit yapıda olduğundan<br />
dolayı özellikle model üzerinde güç elektroniği<br />
uygulamaları yapacaklar için uygun olmaktadır.<br />
Elde edilen farklı ışınımlar altındaki Akım-Gerilim<br />
ve Güç-Gerilim karakteristiği sonuçları oluşturulan<br />
<strong>modeli</strong>n, gerçek doğrusal olmayan FV <strong>hücre</strong><br />
<strong>modeli</strong>ne çok yakın sonuçlar verdiği görülmektedir.<br />
Bu nedenle bu model <strong>fotovoltaik</strong> enerji dönüşüm<br />
sistemlerinde maksimum güç noktası izleme<br />
(Mppt), gölgelenme ve farklı ışınımlara maruz<br />
kalma gibi birçok analiz için kullanılabilecektir.<br />
6. Kaynaklar<br />
[1] Issam Houssamo I.,Locment F., Sechilariu<br />
M.,Maximum power tracking for photovoltaic<br />
power system Development and experimental<br />
comparison of two algorithms. Renewable Energy<br />
(2010) 2381e23872010.<br />
[2] Walker G. Evaluating MPPT converter<br />
topologies using a Matlab PV model. Journal of<br />
Electrical, Electronics & Engineering, Australia<br />
2001;21(4):49e55.<br />
[3] Benghanem M. Low cost management for<br />
photovoltaic system in isolated site with new IV<br />
characterization model proposed. Energy<br />
Conversion and Management 2009;50:748e55.<br />
[4] Tafticht T, Agbossou K, Doumbia ML, Chériti<br />
A. An improved maximum power point tracking<br />
method for photovoltaic systems. Renewable<br />
Energy 2008;33 (7):1508e16.<br />
[5] Ouaschning V, Hanitsch R. Numerical<br />
simulation of photovoltaic generators with shaded<br />
cells. In: Proc. of 30th Universities Power<br />
Engineering Conference, Greenwich, UK; 1995. p.<br />
583e6.<br />
[6] Dzimano G., “Modeling of Photovoltaic<br />
Systems” Msc., Ohio State University (2008).<br />
[7] Yaw-Juen Wang, and Po-Chun Hsu, “Analysis<br />
of Partially Shaded PV Modules Using Piecewise<br />
Linear Parallel Branches Model”, World Academy<br />
of Science, Engineering and Technology, Vol. 60,<br />
783-789, 2009.<br />
[8] Villalva M.G., Gazoli J.R., and Filho E.R.,<br />
Comprehensive Approach to Modeling<br />
andSimulation of Photovoltaic Arrays, IEEE Trans.<br />
on Power Elect., Vol. 24, Nn. 5, MAY 2009.