Fırat DEVECİ

Güneş Enerjisi: Eviriciler (Inverters)

  • 8 ay önce, Fırat DEVECİ tarafından yazılmıştır.
  • 2 Yorum
  • 1.560 Kişi Okudu

Enerji, yaşamın ortaya çıktığı ilk zamanlardan bu yana önemli bir done olmuştur. Önceleri hayat sürdürmek için gerekli olan enerji, şimdilerde insanlığı ayakta tutan bir yapıtaşı olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu ihtiyacı en temiz yolla sağlamanın yolu ise yenilenebilir enerji kaynaklarından geçmektedir. Yenilenebilir enerji kaynakları ele alındığında karşımıza başta rüzgar ve güneş olmak üzere bir çok doğal kaynak karşımıza çıkar. Bu enerji kaynaklarından güneş enerjisini ele aldığımızda, özellikle güç elektroniği elemanları gelişiminden sonra yüksek verimli eviriciler-dönüştürücüler yapmak mümkün olmuş ve kullanım alanı oldukça yaygınlaşmıştır.

Bu yazıda, özellikle şebekeye bağlı güneş enerjisi eviriciler ile birlikte sıkça tercih edilen topolojiler ve günümüzde kullanılmaya başlayan değişik evirici ve dönüştürücüleri ele almaya çalışacağız.

Evirici Nedir?
Güneş enerjisi panellerinin çıkışı doğru akım şeklindedir. Şebeke ile bağlantı sağlamak için bu doğru akımın öncelikle alternatif akıma dönüşümü ve bu dönüşümün yanında maksimum güç noktasının takibi sağlanmalıdır. Bu dönüşüm sırasında ise verim en önemli parametreler arasında yer almaktadır. Aşağıda Mitsubishi firmasına ait 250Wp gücünde güneş paneline ait grafikleri görebilirsiniz (ayrıntılar için grafik üzerine basmalısınız). Evirici türlerini ele aldığımızda karşımıza çok kullanılan üç tür ortaya çıkar; dizi (string), mikro ve DC optimizer sisteminde eviriciler. Tüm bunların yanında yaygınlaşmaya başlayan hibrit sistemleri de görmek mümkün hale gelmiştir.1) Dizi (String) Eviriciler
Bu evirici yönteminde, eviricinin giriş gerilim ve güç yoğunluğuna göre paneller seri ve paralel şekilde bağlanırlar.Dizi eviriciler genellikle yapıları basit, hızlı tasarlanabilen cihazlar olduğundan sahada baskın evirici olarak karşımıza çıkarlar. String eviricilerde karşımıza çıkan yapılar incelendiğinde karşımıza üç adet topoloji çıkar. Bunlar H5, H6.5 ve HERIC olarak sıralanırlar.

a) H5 Topolojisi
Aşağıda şekli görülebilecek bu topolojide 5 adet anahtar ve 4 adet freewheling diyodu bulunur.Bu topolojide öncelikle güneş paneli 3 anahtar üzerinden anahtarlanarak şebekeye güç aktarımı sağlanır, daha sonrasında 1 diyot ve 1 anahtar üzerinden freewheling akımı dolaşır. Reaktif yükte ise freewheling akımı 3 diyot üzerinden geçmektedir. Bu tür bir topolojide verimler yaklaşık olarak %97 ve üzeri şekilde görülmektedir. Tasarımın en büyük artısı sadece 3 adet hızlı anahtar ile topolojinin tamamlanması ve basit yapı gösterilebilir. Bunun yanında anahtarlama anında 3 anahtardan, reaktif güçte ise 3 diyottan freewheling akımı dolaşması verimsizliğe yol açmaktadır.

b) HERIC Topolojisi
Aşağıda şekli görülebilecek HERIC topolojisi toplamda 6 anahtar bulunmaktadır.Bu topoloji yapısında güneş paneli iki anahtar üzerinden şebekeye güç aktarımı sağlar daha sonrasında şebeke ve panel bağlantısı kesilerek bir diyot ve bir anahtar üzerinden freewheeling işlemi gerçekleştirilir. Bu topolojinin en büyük avantajı anahtarlama anında sadece 2 anahtar üzerinden, freewheling anında ise 2 adet diyottan akımın dolaşmasıdır. Reaktif güç çekilmesi anında ise sadece 2 diyottan freewheling akımı geçmektedir. Bu da verimi %98 ve üzerine taşımaktadır. Bunun karşın sistemde 6 adet hızlı anahtarın bulunması karmaşıklığı arttırmaktadır. HERIC topolojisi “Fraunhofer-Gesellschaft” kuruluşuna patentlidir ve kullanımı yasal sonuçlar doğurabilir.

c) H6.5 Topolojisi
Aşağıda yapısı görülebilecek H6.5 topolojisi (kardeşi H5.6 topoloji de ele alınabilir) HERIC’in patentli olmasından dolayı H5 ve HERIC arasında ara biz çözüm olarak karşımıza çıkmaktadır.Bu topoloji yapısı HERIC eviricisinin patentli olmasından dolayı bir ara çözüm olarak sunulduğundan, HERIC üzerindeki patent kalktığında tercih edilmeyecektir şeklinde görülebilir. Yine de H6.5 yapısının verimi HERIC’in verimiyle benzeşmektedir. Sistemde ekstra bir diyodun olmasından dolayı özellikle modül tasarımı içerisindeki karmaşıklık arttığından fiyat/performans konusunda uzaklaşmalar olabilir. Bu topolojideki verim de HERIC’de olduğu gibi %98 üzerine çıkabilmektedir.

Diğer Eviriciler
Dizi eviriciler her ne kadar yapısı basit ve sade, ayrıca fiyat/performans olarak iyi gözükseler de toplam sistemin veriminin içerisinde sadece evirici değil ayrıca güneş panellerinin de verimliliği girdiği gözden kaçırılmamalıdır. Dolayısı ile sistem her zaman maksimum gücü alma eğiliminde olan algoritmalar (MPPT) tarafından yönetilir. Dizi eviricilerin girişlerindeki gerilim toleransını yakalayabilmek için güneş panelleri seri bağlanarak istenen değere ulaşılır. Yalnız aşağıdaki örnekte olduğu gibi bu panellerden yalnızca biri dahi gölgelense ya da bozulsa, seri kolun enerjisi en fazla ilgili panel kadar olur.Bu, özellikle havanın parçalı bulutlu olduğu günlerde oldukça büyük sorun haline gelmektedir. Bunun yanında dizi eviricilerinde seri kolda kullanılan panel sayısı da paralel kollarla eşit olmak zorundadır. Bu da özellikle çatı gibi alanlarda yer problemi yaratmaktadır. Ayrıca şebekenin kesildiği anda panellerin takılı olduğu çatı gibi yerlerde 600V ve üzeri gerilimler bulunduğundan bu da yangın gibi riskler doğurmaktadır. Dizi eviricilerin bu ve benzer problemlerini aşmak için iki farklı yönteme sıkça başvurulmaktadır; mikro eviriciler (microinverters) ve güç düzenleyicileri (Power Optimizers).

2) Mikro Eviriciler (Microinverters)
Dizi eviricilerin yukarıda saydığımız sorunlarını çözmek amacıyla, büyük bir evirici yerine her bir panelin kendi eviricisi olması fikri mikro eviricilerin doğmasına yol açmıştır. Mikro eviricilerin güç seviyesi 200-300W arasına dağılmış vaziyette ve izolasyona sahip şekildedir.Mikro eviriciler her bir panel için ayrı ayrı uygulandığından, gölgelenme gibi durumlarda tüm sistemin etkilenmesi durumu söz konusu olmamaktadır. Bunun yanında şebeke kesintilerinde ise panellerdeki çıkış, düşük gerilim (~30-60V) seviyelerinde kalacağından güvenlik problemleri asgari düzeye inmektedir. Yalnız mikro eviricilerin hem düşük güç çevrimi hem de düşük gerilimden, şebeke gibi yüksek gerilime dönüşüm yapmalarından kaynaklı verim seviyeleri %96 civarlarına düşmektedir. Bunun yanında birim sayısı artmasından toplam bazda maliyete bakıldığında fiyatlar, dizi eviricilerinden yukarı seviyede bir noktada bulunmaktadırlar.

Mikro eviriciler iki ayrı grup içerisinde; tek (single stage) ve çift (double stage) aşamalı olarak şebekeye enerji aktarımı sağlarlar. Bunlardan iki aşamalı olanı günümüzde daha çok tercih edilmekle birlikte verimleri %96-97 civarındadır.Yukarıda sistem haritası görülen iki aşamalı mikro eviriciler şu an için uygulamada en çok tercih edilen topolojidir. Bunun nedeni mikro eviricilerin güneş paneli ile birlikte uzun ömürlü olması istenmesi ve bu yüzden özellikle elektronik malzeme seçimlerinde optik ve elektrolitik kapasitör gibi kimyasal sıvı içeren malzemelerden uzak durulması gerekmesi gösterilebilir. Tek aşamalı mikro eviricilerde (sık tercih edilen quasi-resonant flyback topolojisi için) güneş paneli girişinde günümüz teknolojisi ile sadece elektrolitik kapasiteler kullanılmak zorunda olduğundan çift aşamalı mikro eviriciler tek başına bu nedenle dahi tercih edilmektedirler.Yukarıda iki aşamalı mikro evirici örneğinde de görülebileceği üzere girişte iki adet interleaved çalışan izolasyonlu boost yapısı ve sonrasında H-Bridge yapıda inverter katı görülebilir. Mikro eviricilerin düşük hata oranında çalışabilmesi için içerisinde olabildiğince az malzeme kullanımı da önemli kıstaslardan biridir.

3) Güç Düzenleyici Eviriciler (Power Optimizer / DC Optimizer)
Mikro eviriciler büyük bir sistemde maliyet açısından yatırımcısına oldukça yük getirdiğinden, hem mikro eviricilerin maksimum güç noktasındaki başarısı, hem de dizi eviricilerinin maliyet anlamında avantajından yararlanılarak ortaya güç ya da diğer adıyla DC düzenleyici sistemler ortaya çıkmıştır. Oldukça yeni olan bu teknoloji aşağıdaki gibi özetlenebilir.DC düzenleyici modüller her bir güneş panelinin arkasına, mikro eviricilerde olduğu gibi takılırlar; yalnız bu sistemde her bir evirici kendinden bağımsız olarak değil, birbirleriyle ve ana kontrol ünitesi ile (genellikle DC/AC evirici) haberleşerek her bir birim istenen gerilime kendini getirir. DC/DC dönüşüm yaptıklarından oldukça yüksek verimliliğe sahiptirler ve gölgelenme durumu içerisinde çok düşük gerilimlerde dahi çıkış gerilimi ürettiklerinden ekstra verimlilik sağlarlar.DC düzenleyicilerde birbirinden farklı temellere sahip bir çok topolojiye rastlamak mümkündür. Bu topolojilerden en çok kullanılanları interleaved yapıda boost dönüştürücü topolojileridir. Ayrıca sistemde tüm maksimum güç izleme işlemlerini bu modül gerçekleştirmektedir.

Sistemin çalışması ise oldukça basittir, tüm modüller kablosuz ya da güç hatları üzerinden haberleşerek çıkıştaki güçlü ama basit yapıdaki eviriciye sabit giriş gerilimi oluşturacak şekilde koloni şeklinde çalışırlar. Herhangi bir panel gölgelendiğinde o panelin kaybı kadar gerilimi kendi çıkışlarında yükselterek ya da alçaltarak sistem DC barasını sabit tutarlar. Sistem barasının sabit olduğu sistemde ise eviricinin işi oldukça kolaylaşır ve özellikle güç elemanları daha fazla optimize edilerek maksimum verimliliğe ulaşılmaya çalışılır. DC düzenleyicilerin verimleri %99 ve üzerinde olabilmektedirler.Eviricinin de verimi %99 civarında düşünülürse sistemin toplam verimi %97,5-%98 civarına gelebilmektedir. Bu verim elektroniksel açıdan dizi eviricilere göre düşük gözükse de tüm bir yıl baz alındığında maksimum güç takibi başarısından elde edilen kazanım, bu verim düşüklüğünü tolere edebilmekte hatta üzerine rahatlıkla çıkabilmektedir.

Hibrit/Melez Sistemler
Yukarıda saydığımız tüm çevrimlerin yanında bildiğimiz konvensiyonel sistemlere yenilenebilir enerji entegrasyonu sağlanıp hibrit sistemler oluşturmak da özellikle maliyetler ve sistem geri kazanımları için çok önemli bir hal almıştır. Bu sistemlerin en yenisi ise aşağıda blok yapısı görülebilecek güneş enerji destekli UPS sistemleridir.Benim de içerisinde bulunduğum, özellikle güneş enerji dönüşümünü tasarladığım sistemde; normal bir UPS’e güneş enerji dönüştürücüsü dahil edilerek, UPS’in normal çalışmasını etkilemeden hem tüketim maliyetlerinde bir düşüş hem de akü kapasitelerinde bir azalmaya gidebilme söz konusu olabilmektedir. Devlet veya hastane gibi gündüz daha çok işlev gösteren ve enerji tüketen birimlerde hibrit sistemler maliyet düşürme amacıyla sıkça kullanılmaktadır.

Özellikle online kesintisiz güç kaynakları ele alındığında, sistemin içerisinde dahili, yüksek verimli bir evirici bulunduğu görülebilir. Dolayısı ile sisteme evirici bazında ek bir maliyet yükü getirmeden, dizi eviricilerinden daha az maliyete, şebeke destekli ve DC düzenleyiciler gibi ana sistemle konuşan, bunun yanında hem aküleri şarj edip hem de sistemi besleyen bir yapı oluşturmak mümkün olmuştur. Şu an için 20kW ve 40kW şeklinde bulunabilen dönüştürücülerin verimleri %97.5 seviyelerindedir. Daha ayrıntılı bilgiye buradan ulaşabilirsiniz. Bu tür sistemlere güneşin yanında rüzgar gibi alternatif diğer kaynakları da kolaylıkla dahil etmek oldukça mümkündür.

Bitirirken…
Enerjinin kontrolü, kontrol edilen bu enerjinin verilerinin tutulması ve yönetimi, önümüzdeki yıllarda önemli bir yere sahip olacaktır. Bu anlamda son 10 yıl içerisinde yarı iletken teknolojisindeki gelişmeye paralel araştırmaların artması, bu konudaki bilgilerimizi güncel tutmada her geçen gün bizlere zorluklar yaşatmakta ve daha fazla çalışmaya bizleri itmektedir. Tüm bu koşullar içerisinde araştırmaya, geliştirmeye ve sistem tasarımına gerekli önemi veren kuruluşların geleceğinin parlak olacağını söylemek hiç de sürpriz olmaz. Güç elektroniği tasarımcılığı ise gelecekte isteğin artacağı en önemli dallardan biri olarak karşımıza çıkıyor.

Herkese çalışmalarında başarılar dilerim.
Yeşil enerji ile kalın…

  1. Melih Günal dedi ki:

    Tekrar yazmaya başlaman sevindirici, güzel olmuş.

  2. Ali Emre dedi ki:

    Güzel içerik, tebrikler! Emeğine sağlık.

Yorum Yazınız

error: Kopyalama KARDEŞ!