HİBRİD SİSTEM NEDİR?

    Fotovoltaik güneş panellerinin ve küçük rüzgar türbinlerinin iklim koşullarına göre elektrik  enerjisi üretimi değişir. Bu yüzden tek başlarına çok zengin bir enerji üretim kaynağı değildirler. Sistemleri birleştirme (rüzgar ve güneş) daha çok elektrik enerjisi üretiminde etkilidir. Bu çözüme "Hibrid sistem" denir.

Birçok yenilenebilir enerji uzmanlarına göre, küçük bir "hibrid" elektrik sistemi rüzgar veya fotovoltaik güneş teknolojilerini birleştirir ya da tek sistem üzerinden kullanarak pek çok avantaj sunar.

Güneş ışınlarının en kuvvetli ve parlak olduğu yaz aylarında rüzgar hızı düşüktür. Daha az  güneş enerjisinin bulunduğu kış aylarında ise rüzgar hızı yüksektir. Rüzgar ve güneş enerjisi sistemlerinde verimli enerji üretimi, günün ve yılın değişik zamanlarında farklılık gösterir.

Diğer bir değişle rüzgar hızının yetersiz veya verimsiz olduğu günlerde alternatif olarak  güneş enerjisinden istifade edilebilir. Böylece sistemde enerji üretiminin devamlılığı sağlanmış olur.

Hibrid “rüzgar ve güneş enerjisi” sistemlerin olumsuz tarafı ise; güneş panelleri veya rüzgar türbinlerinin tekil kullanıldığı sistemlerin maliyetinden biraz daha fazla olmasıdır. Fakat aradaki bu fark çok azdır, çünkü kullanılan bileşenler rüzgar ve güneş enerjisi sistemleriyle (Pil, İnverter, kontrol ve güvenlik birimleri gibi temel bileşenler) aynıdır.

Unutulmamalıdır ki Hibrid sistem kullanımı sayesinde yıl boyunca yeterli enerji sağlayacaktır.

Hibrid Sistemler birden fazla enerji kaynağının kullanıldığı sistemlerdir. Hibrid uygulamalar, özellikle yaz-kış enerji gereksiniminin olduğu ve kesintiye bir an bile yer verilmemesi ya da kurulan güneş ya da rüzgar enerji sisteminin desteklenmesi gereken sistemlerde uygulanır. Hibrid uygulamalarda güneş, rüzgar ve diesel enerji kaynaklarının ikili veya üçlü olarak kullanımı mümkündür. Sistem Güneş Enerjisi veya Rüzgar Enerjisinin çalışma sistemiyle tamamen aynıdır.Sadece sisteme ek yapılmaktadır.Her hangi bir zorluğu yoktur.Proje gereksinimlerine göre şebekeye paralel (on-grid), şebekeden bağımsız (off-grid) ve Green-Line (şebeke destekli) olarak tasarlanabilir.



NASIL YATIRIM YAPILABİLİR?

Bu sistem yatırım açısından sadece güneş enerjisi sistemi kurmak için gereken yatırım maliyetinden karlıdır. Kendini amorti etmesi Güneş Enerjisine göre daha erkendir. Bu sistem evlerde kullanımı yanında estetik görünümüyle dış aydınlatmada sağlanabilir. Bu sistemde özel LED lambaları kullanılır ve en az 7 saat şebeke ihtiyacı olmadan kendi kendine yetebilir. Türkiye’de dış aydınlatma Hibrid sokak aydınlatma sistemi yapan firma sayısı çok az olanlarında sitelerini kontrol ettim iletişim adreslerinde Çin e ait telefon numaraları var ve kontrol ettiğim numara üretici firmaya değil buradaki fabrika ile alıcı arasındaki destekçiye ait.Bu yüzden fiyatlar normalin üstünde. Eğer bu sistem gerekli belediye desteği aldığı taktirde karlı bir yatırım alanıdır. Bakımı ise panelin senelik temizliği rüzgar gülünün ise senelik yağlanmasıdır. Ayrıca maiyeti artıracak yeni düzenleyici ya da sistemler eklemeye gerek yoktur.

SİSTEM KONTROLÜ

Yenilenebilir enerji kaynakları ile üretilen elektrik enerjisinde akım ve gerilimde varyasyon ve harmonikler olmaktadır. Genel olarak, her güç kaynağının kendine ait güç denetleyicisi bulunmaktadır. Elektrik gücü, voltaj ve akımın matematiksel ürünüdür. Ve bu iki ifade kontrol ve optimize edilmelidir.

Fotovoltaik hücreler doğrusal olmayan güç kaynaklarıdır. Ve Maksimum Power Point Tracker (MPPT) denetleyicisi Fotovoltaik paneller için tasarlanmıştır. Bu MPPT, iki çıkış için bir monitör olarak davranır ve değişkenleri (voltaj ve akım) iyi bir çıkış kombinasyonunu hesaplar. Böylelikle her zaman maksimum DC / DC çevirimi sağlanmış olur. Sistemin güç çıkışlarını bataryanın voltajı ile eşleştirip maksimum şarjı garanti etmektedir. Ayrıca Solar panellerin kurulum yapılacağı yeri seçerken özellikle gün ışığı saatlerinde ( 09:00 ile 16:00 arası ) paneller üzerine herhangi bir gölge düşmediğinden emin olunmalıdır. Gölge sadece çıkış gücünü azaltmakla kalmayacak aynı zamanda paneller üzerinde hasarlara da neden olabilecektir

Örneğin 100 watt lık bir güneş panelinden batarya uygun değer voltajda olmadıkça 100 watt güç çıkışı alınamaz. Bataryalardaki gerilim 12.4 volt olsun ve klasik şarj kontrolörlerden biri kullanılsın. 100 watt bir güneş paneli kullanılıyorsa bu panel 6 amper akım ve 16.5 volt ( 16.5 volt x 6 A = 100 watt ) değerlerine sahiptir. Bataryadaki gerilim 12.4 volt olduğundan 6 amper akımla sadece 12.4 volt x 6 A = 75 watt enerji depolanabilir. Bu da panelin çıkış gücünden %25 kayıp olduğu anlamına gelir. MPPT kontrolörler akımı arttırarak bataryaların solar panelden çıkan tüm gücü depolayabilmesini sağlar.

Rüzgar sisteminden alınabilecek enerji miktarı, mevcut rüzgar potansiyelinin yanı sıra türbin denetleyicisinin performansına da bağlıdır. Sistem optimum çalışma noktasında tutulmaya çalışılır.

Aküler tamamen dolduğunda uç gerimi yükseleceği için şarj kesilir. Bu durumda türbinin boşta aşırı hızlara çıkmaması için bir yardımcı yük direncine bağlanır. Sistem; akü gerilimi belirlenen bir değerin altına düşünceye kadar bu konumda kalır. Ayrıca aynı işlem manuel olarak da yapılarak türbinlerin kilitlenmesi sağlanabilir. Akülerin ömrünü uzatacak şekilde uç gerilimini hassas olarak ölçerek mevcut şartlardaki en uygun şarj akımını ayarlanmalıdır. Belirli aralıklarda ve sürelerde; yükseltici şarj ve likit aküler için gerekli olan eşitleyici şarj koşullarına otomatik olarak geçmelidir.

Şarj denetleyici yardımıyla akülerin uç gerilimi, mevcut kapasitesi, anlık şarj akımı değerleri ölçülebilmektedir. Kullanılan aküler 1-3 gün arasında elektrik ihtiyacını karşılamaya yeterli kapasitededirler.

ÖNERİLEN ÇALIŞMA

Küçük hibrid sistemlerinin hem maliyetlerini azatlamak hem de performansını artırmak için; her bir bileşen için ayrı denetleyicisi yerine (rüzgar türbini, fotovoltaik güneş panelleri ve bunların pil ve şarj denetleyicisi), tek bir mikro denetleyicisinin kullanımı ile tüm sistemi kontrol etmektir. Bu,

Hibrid sistem maliyetine önemli bir azalma katkıda bulunacaktır.

HİBRİD SİSTEM ELEMANLARI

Rüzgar Jeneratörü:

Rüzgar jeneratörü sistemin elektrik üreten elemanıdır. En geneli üç bıçaklı rüzgarjeneratörleridir. Üç bıçaklı türbinler sistem verimi ve rotor dengesi arasında uyum sağlar.

Küçük rüzgar türbinleri, kendilerini yüksek hızlı rüzgarlardan; rotoru yukarı ya da yana çevirerek veya bıçakların dişli ayarını yaparak korur. Elektrik, genelde üç fazlı (AC alternatif) olarak teller üzerinde kuleden aşağı aktarılır. Bu gerilime kaba gerilim denir. Bunun nedeni voltaj ve frekans değeri rüzgar türbininin dönüş hızıyla orantılı olmasıdır. Çıkış daha sonra DC gerilime doğrultulur ya da şebeke gerilimi için çevrilir.

PV Panelleri:

Güneş panelleri güneş ışığını direkt olarak elektrik enerjisine ya da ısıya(sıcak su) çevirirler. PV(Fotovoltaik) hücreler bilgisayar çiplerinde kullanılan yarı iletken malzemeden üretilmektedirler.

Güneş ışığı bu maddeler tarafından absorve edildiği zaman, elektronlar bulundukları atomlardan ayrılarak madde içinde serbest kalırlar ve böylece bir elektrik akımı oluşur. Işığın (fotonların) elektriğe (voltaj) dönüşümüne fotovoltaik efekt adı verilmiştir.

Kule:

Bir rüzgar jeneratörü kulesi türbinden daha pahalı olabilir. Kule, türbinin en fazla enerji vermesini sağlar. Rüzgar türbinleri en az (9 m) en fazla ise(152 m) içinde kurulumu vardır.

Fren:

Türbin; mekanik fren olarak, rüzgar hızının yükselmesi durumunda pervane dönme eksenini düşey eksene doğru kaydırmakta ve kuyruk açısını değiştirmektedir. Bu sayede yüksek rüzgar hızlarında türbin hızının tehlikeli şekilde artmasına engel olmaktadır.

Sistem; aküler tamamen dolduğunda, sarj etmeye devam ederse uç gerimi yükseleceği için, şarj etmeyi keser. Bu durumda türbinin boşta aşırı hızlara çıkması söz konusu olabilir. Bu durumu engellemek için disk ya da davul fren sistemi kullanılır

Şarj denetleyicisi:

Bir rüzgar elektrik şarj denetleyicisinin birincil işlevi aşırı yüklenmelere karşı akü bankasını korumaktır. Şarj denetleyicinin, güç izleme özelliği bulunmamaktadır ancak akülerin ömrünü uzatacak şekilde, sıcaklık algılayıcısı ile ortam sıcaklığını ve uç gerilimini hassas olarak ölçerek mevcut şartlardaki en uygun şarj akımını ayarlayabilmektedir. Belirli aralıklarla ve sürelerde yükseltici şarj ve likid aküler için gerekli olan eşitleyici şarj koşullarına otomatik olarak geçmektedir. Şarj denetleyici yardımıyla akülerin gerilimi, mevcut kapasite, anlık şarj akımı değerleri ölçülebilmekte, günlük-haftalık olarak amper saat değerleri kayıt edilmektedir.

Örneğin; eğer 4 adet 75 - 80 watt arasında bir solar panel kullanılıyorsa 40 amper değerinde bir şarj kontrolör kullanılmalıdır. Her bir panel 6 amper değerine sahiptir. Bunların toplam çıkışı 6 A x 4 = 24 A olmaktadır. Şarj kontrolörün daha yüksek bir akımda seçilmesinin sebebi güneş ışığının bulut yansıma etkisi sebebiyle çıkışı 24 A olması gereken panellerden 32 A çıkışa sebep olabilmesidir.

Pil bankası:

Akülü sistemler, DC veya AC akımla çalışan ekipmanlara güç sağlamak üzere tasarlanabilirler. Akü sistemleri; PV modüllerinin ve rüzgar türbinlerinin pillere ve pillerin de yüke bağlanmasıyla çalışırlar. Gündüz saatlerinde PV modülleri pili şarj etmekte; pil de gereksinim duyulduğu anda yük için güç sağlamaktadır.

Aküler, sisteme birçok açıdan yarar sağlamakta ancak biraz bakım da gerektirmektedir. PV sistemlerinde kullanılan aküler çoğunlukla araç aküleriyle benzerlik göstermektedir. Ancak bu aküler depolamış oldukları enerjinin büyük bir kısmını günlük olarak kullanılabilmesine olanak sağlayacak bir biçimde üretilmektedir. (Bunlara golf arabalarında kullanılan akülerde olduğu gibi “deep cycling" denilmektedir).

Pil monitörü:

Pil bankasının doluluk oranı ve ne kadar elektrik kullanımı olduğunu ölçer. Ölçüm olmaksızın sistemin kurulması mümkün. Pil monitörü sadece kullanıcıya akülerde ne kadar enerji olduğunu gösterir.

Ana DC Kesici

DC kesici bir İnverterin akülerle bağlantısını keser. Elektrik yangınlarına karşı İnverter ve sistemdeki kabloları korur.

Çevirici:

Pilli sistemlerde rüzgar enerjisiyle üretilen AC enerji DC ye çevirir. Ya akülerde depolanmasını ya da doğrudan yüke bağlanmasını sağlar. Rüzgar enerjisinden değişken frekanslı (Tam sinüs olmayan) alternatif gerilim elde edilir. Ve çevirici sistemiyle şebekeye entegre edilir. Güneş enerjisi panellerinde ise; elde edilen elektrik enerjisi günün değişik zamanlarında farklı gerilim değerleri vermektedir. Oluşturulacak sistemin, yükün türüne bağlı olarak sürekli sabit çıkış gerilimi vermesi istenir. Bunu sağlamak için devreye bir adet dönüştürücü bağlanır. AC akımlı ekipmanlar çalıştırılmak istenildiği zaman ise; çevirici, pil ve yük arasına monte edilir. DC akımının AC akımına dönüştürülmesi esnasında küçük miktarda bir enerji kaybı olmasına rağmen bir inverter, PV tarafından üretilen elektriği, günlük AC cihazların, lambaların ve hatta bilgisayarların çalıştırılmasını ağlayacak bir güce dönüştürmektedir. Ayrıca  Panel kullanılarak oluşturulan sistemlerin daha verimli olması için DC/DC dönüştürücüleri kullanılmaktadır. Kullanılan dönüştürücü çeşitleri ise yükselten, alçaltan ve alçaltan-yükselten dönüştürücüler olarak tanımlanabilir.

Şönt yükü:

Rüzgar türbinine bağlı bir 'saptırma yükü' var iken, güneş paneli devresinde böyle bir bileşen yoktur. Bunun nedeni, güneş panellerinin 'pasif,' rüzgar türbini ise 'aktif' güç üreticisi olması. Şöyle ki; bir güneş paneli aküler dolmadığı sürece elektrik üretir ve aküler dolar dolmaz da, üretim için gerekli gerilim farkları ortadan kalkmış olduğundan, üretimi durdurur. Hâlbuki rüzgar türbini; rüzgar estiği zaman elektrik üretir ve sağlanan güç kullanılmazsa eğer, bu, türbin sistemine zarar verebilir. O nedenle, akünün dolu olduğu zamanlarda üretilen elektriği kullanacak bir 'saptırma yükü'ne gereksinim vardır: örneğin bir ısıtıcı veya klima gibi.

AC kesici:

Günümüzdeki elektrik dağıtım sistemlerinde, yük veya talep değişikliklerine karşı çok az denetim imkânı bulunmaktadır. Elektrik dağıtım sistemlerindeki koruma ekipmanları, oluşan hatalara veya kısa devrelere karşı normal olmayan hata akımını sezerek ve hatayı izole etmek üzere devre kesiciyi açarak cevap vermektedir. Bazı yeni otomasyon sistemlerinde ise, hatalı bölge tespit edilmekte ve hatadan sonra alternatif bir güç akış yolu sağlamak üzere diğer bir devre kesici kapatılarak, güç alamayan kısım sayısı azaltılabilmektedir.

YENİLENEBİLİR ENERJİ KAYNAKLARI İLE EVİN ENERJİ
 

İHTIYACININ KARŞILANMASI

Kaynakları gittikçe daralan dünyada yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı her alana yaygın olarak girmektedir. Bu alanlardan bir tanesi olan ev elektrik ihtiyacının projelendirilmesi için çeşitli aşamalarından geçilmesi gerekmektedir. Bununla birlikte iki temel belirleyici mevcuttur. Bunlar; bir evin günlük enerji talebinin ve bu talebi karşılayacak enerji kaynağının belirlenmesi olarak sıralanabilir. Bu aşamalarla birlikte enerji İhtiyacını karşılayacak sistem ekipmanlarının hesaplanması, ve yenilenebilir enerji sisteminin maliyetinin hesaplanması önemli projelendirme aşamaları olarak karşılaşılmaktadır.

2. Projelendirme Aşaması

Sistemin projelendirme aşamaları şu şekilde gerçekleştirilir.

2.1 Sistemin Günlük Elektrik İhtiyacının Belirlenmesi

Günlük enerji ihtiyacının doğru olarak hesaplanabilmesi için evde bulunan cihazların nominal güçleri ile bu cihazların bir haftada kaçar saat çalıştırıldıklarını gösterir bir tablo oluşturulmalıdır.

2.2. Kullanılacak Enerji Kaynağının Belirlenmesi

Kullanılacak enerji kaynağının belirlenebilmesi için öncelikle bölgenin aylara göre güneşlenme değerleri, rüzgar hızı ortalamaları bilinmesi gerekmededir. Bu bilgiler yerel meteoroloji ölçüm istasyonları vasıtası ile elde edilebileceği gibi özel olarak sistemin kurulması düşünülen evin yakınında kurulan özel ölçme sistemleri vasıtası ile de elde edilebilir. Sistemin kurulacağı bölgenin güneşlenme değerlerinin elde edilmesi için bölgenin güneşlenme değerleri  alınırken/ölçülürken dikkat edilmesi gereken husus 1000W/m2 güneş ışınımı radyasyon değerinin sağlanması gerekliliğidir. Ayrıca diğer bir önemli nokta ise bu ışınım değeri bir gün süresince kaç saat sürmektedir. Bu değerler aylık ortalamalar halinde hazırlanarak bölgeye ait bir güneşlenme haritası elde edilebilir.

Sistemin kurulacağı bölgenin rüzgar hızı değerlerinin elde edilmesi: Günümüzde birçok küçük ve orta ölçekli rüzgar jeneratörü üreticileri ürettikleri rüzgar jeneratörlerinin nominal çalışma koşullarını sağlaması için 12 m/sn'lik bir rüzgar hızı ortalaması istemektedirler. Özellikle büyük güçlü rüzgar jeneratörü üreticileri tarafından standart haline getirilmiş olan bu değer küçük güçlü rüzgar jeneratörlerinde 15 m/sn değerine kadar yükselebilmektedir. Bölgenin aylara göre ortalama rüzgar hızı değeri alınarak bir rüzgar jeneratörü kurulması durumundaki verimli çalışma aralığı hesaplanabilir.

2.3 Enerji İhtiyacını Karşılayacak Siste

Ekipmanlarının Hesaplanması

Rüzgar hızı ortalaması müsaitse uygun modelin ve kontrolörün belirlenmesi ölçülen ya da diğer bir kaynaktan elde edilen bölgeye ait rüzgar hızı ortalamasının değerine bağlı olarak sistemde "düşük rüzgar hızında yüksek güç üreten" ya da "yüksek rüzgar hızında yüksek güç üreten" rüzgar jeneratörlerinden bir model ve bu modelin çıkış kapasitesi ile alıcı tarafına bağlanmış yükleri kontrol edecek olan kontrolör belirlenir. Projelendirilen ev modelinde ortalama günlük enerji tüketimi; 10.846 Wh/gün çıkmıştı bu nedenle düşük güçlü bir rüzgar jeneratörü seçebiliriz.

Güneşlenme değerleri müsaitse uygun güneş pili adedi ve kontrolörün belirlenmesi için ise Türkiye sınırları içerisinde özellikle güney bölgelerimiz yaz aylarında oldukça yüksek güneşlenme süreleri ve güneş ışınımı değerlerine sahiptir. Bu nedenle sistemin kurulacağı bölgede güneşlenme değerleri müsaitse ihtiyaç duyulan elektrik enerjisi miktarının belli bir miktarı güneş pilleri ile üretilebilir.

Güneş pilleri bir kontrolör tarafından kumanda edilir. Yani güneş pilleri ile üretilen elektrik enerjisi kontrolörden geçerek yüke ya da depolanmak üzere akülere gider. Güneşten elde edilen elektrik enerjisi miktarını arttırmak için güneş takip sistemleri kullanılır. Bu durumda ortalama 5 saatlik güneşlenme süresine sahip bir bölgenin güneşlenme süresi 8-9 saate kadar artabilmektedir.

2.4 Ana Sistem Kontrolörünün Özelliklerini

Belirlenmesi

Kullanılacak sistemin özelliğine göre (ev kullanımı, telekomünikasyon kullanımı, sanayi kullanımı gibi) negatif topraklamalı, pozitif topraklamalı ya da özel topraklamalı sistemler kullanılabilir. Bu sistemlerin topraklama şekline bağlı olarak özel kontrolörler geliştirilmiş bulunmaktadır. Bu kontrolörlerin ana görevi güneş pilleri ve rüzgar jeneratörlerinden gelen enerjiyi kontrol ederek yüklere ve akülere göndermektir. Sistemde bir arıza olduğu zaman yükleri kesecek, aküler derin deşarja maruz kaldığı zaman aküleri sistemden ayıracak ve gerekli şartlar tekrar sağlandığında sistemi herhangi bir kumanda gerek kalmadan harekete geçirecek yapıda olmalıdır.

3. Sonuç

Yukarıdaki güneş pili, rüzgar jeneratörü vasıtası ile üretilebilecek enerji miktarı en az; 9.3 kWh/gün'dür. Bu değer en yüksek; 25 kWh/gün'e kadar çıkabilmektedir. Böyle bir yenilenebilir enerji sistemi ile yıllık 3350 kWh ile 9000 kWh arasında enerji üretilebilmesi mümkün olmaktadır.

Mevcut şartlar altında sistemin en erken kendini amorti etme süresi 2-4 yıl arasındadır.