ÜRÜNLER
HABERLER
Site içi arama:
Yeniliklerden haberdar olmak için lütfen kaydolun.
Email:
Ekle   Çıkar  

 

Günümüzde yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı gittikçe önem kazanmaktadır. Yıllardır kullanımda olan termal enerjinin elektrik enerjisine dönüşümü, hidroelektrik enerji üretimi ve rüzgar enerjisinden elektrik enerjisi üretiminin yanında son zamanlarda ön plana çıkan ve yeni dönemde yenilenebilir enerji kaynakları içinde ilk sırayı alma yolunda gelişmeler kat eden güneş enerjisinden elektrik enerjisi üretimi gösterilebilir. Bu çalışmada güneş enerjisinden elektrik enerjisi üretimini optimum noktaya taşımayı hedefleyen mikroişlemci tabanlı otonom bir güneş izleme sistemi ya da başka bir deyişle güneş paneli yönlendirme sistemi tasarlanmıştır.

 

1. Giriş

Bu çalışmada güneş panellerinin sabit yönlendirmeli oluşundan ötürü güneş ışınlarının gün içerisinde panele geliş açısındaki değişimler ile verimsizliğin artmasını önlemek hedeflenmiştir. Güneş ışınlarının panele geliş açısı gün içinde değiştikçe üretilen elektrik enerjisinin miktarında da artış ve azalış tespit edilmiştir. Bu nedenle paneller güneşin geçiş doğrultusuna göre optimum bir noktaya yönlendirilerek güneş ışınlarından maksimum yararlanma sağlanmaya çalışılmıştır.

 

Verimi artırma amaçlı olarak panelin yönlendirilmesi ya da ışığın sürekli odaklanması gibi çalışmalar daha önce yapılmıştır. Bu kapsamda güneş panellerinin güneş ışınlarından maksimum yararlanabilmesi ve elektrik enerjisi üretiminin en üst düzeyde olabilmesi için panellerin güneş ışınlarını 90 derecelik açı ile (dik olarak) alması gerektiği daha önceki çalışmalarla gösterilmiştir. Böylece gün içerisinde paneller sürekli olarak güneşe doğru yönlendirilerek elde edilen elektrik enerjisi artırılmaya çalışılmıştır.

 

Yapılan bu çalışmanın hedefi günümüzde gittikçe artan öneme sahip olan yenilenebilir enerji kaynaklarından mümkün olduğunca etkin bir şekilde faydalanmaktır.

 

Daha önce yapılan çalışmalarda mikroişlemci ya da mikro kontrolör tabanlı sistemler kullanılarak gerek panellerden gelen geri besleme bilgisi ile gerekse bulunulan bölgeye göre bir ayar yapıldıktan sonra aydınlanma süresine göre kontrol birimi, paneli yatayda ve düşeyde hareket ettirerek güneş enerjisinden maksimum faydalanmayı sağlamaktadır.

 

Bu çalışmada ise daha çok mobilite ve kullanıcıya ihtiyaç duymadan yani daha kendi başına karar veren ve otonom bir sistem hedeflenmiştir. Bu amaçla tasarlanan sistemde, farklı çevre birimlerinden toplanan veriler merkezi yönetim birimine aktarılarak sistemin o anki davranışına karar verilmiştir.

 

Sistem, mikroişlemcili bir kontrol mekanizmasına sahip olup yan birimler olarak bir tane GPS modül, bir tane dijital pusula modülü ve bunlardan gelen bilgiler ile mekanik sistem birlikte çalışmaktadır. Bunun beraberinde sistem panellerden gelen geri besleme bilgisini de değerlendirerek hareket etmektedir.

 

2. Sistemin çalışma prensibi

Giriş bölümünde genel hatları ile bahsedilmiş olan sistem, kullanıcıya ihtiyaç duymamakta yani bir operatör gerektirmemektedir. Daha çok mobil olarak düşünülmüş olan bu sistem, öncelikle GPS (Global Positioning System-Küresel Yer Belirleme Sistemi) sayesinde o an itibari ile dünya üzerinde bulunduğu konumu koordinatlar ile belirleyerek kendisine referans olarak alır. Elde edilen enlem ve boylam bilgileri değerlendirilerek sistemin hangi koşullarda çalışması gerektiğini belirlemekte kullanılmıştır.

 

Yine GPS üzerinden o anki tarih ve saat bilgisi alınarak sistemin bulunduğu konumla ilgili yılın hangi döneminde olduğunu yani hangi mevsim koşullarında çalışması gerektiği belirlenmektedir. Sonra da dijital pusula modülünü değerlendirerek kendi üzerinde referans olarak belirlenmiş olan noktanın hangi yöne dönük olduğunu tespit etmektedir. Böylece, sistemin ilk yönlenmesi için gerekli olan parametreler çevre birimler yardımıyla toplanmıştır. Bütün bu toplanan veriler, Renesas ailesinden M32C83 serisi işlemcisi tarafından öngörülmüş olan sırada değerlendirmeye alınmıştır.

 

Bu değerlendirmelerin ardından sistem, otomatik olarak 2 adet step motor yardımı ile o anki tarih ve saatte dünya üzerindeki konumu ve pusuladan da aldığı yön bilgisiyle güneşe doğru paneli çevirmek sureti ile güneş ışınlarının mümkün olduğunca panele dik gelmesini sağlamaktadır. Bu bize panelin ilk yönlendirme sürecinin kısalması şeklinde fayda sağlamaktadır.

 

Ayrıca bu zaman tasarrufunun yanında operatörden kaynaklanabilecek olan yönlendirme parametrelerinin yanlış girilmesi ihtimalini de en aza indirmektedir. Böylece, en verimli yönlendirme hedeflenmektedir.

 

2.1. Tasarlanan sistemin blok diyagramı ve donanım

Blok diyagramdan da görüldüğü üzere sistem çeşitli bloklardan oluşmaktadır. Bunlar genel olarak merkezi kontrol bloğu, GPS modülü, dijital pusula modülü olarak sıralanmaktadır. Bu modüllere ait detaylar, özellikler ve işlevler sonraki bölümlerde anlatılmıştır.

 

2.1.1. Merkezi kontrol birimi

Bu birimde Renesas ailesinden M32C83 serisi bir işlemci ve gerekli konfigürasyon donanımları yer almaktadır. 16 bitlik bu işlemci, 512 Kb Flash Rom program belleğine ve 31 Kb ram’e sahiptir. Ayrıca çevre birimlerin kullanabilmesi ve bilgisayar bağlantısı yapılabilmesi için 5 adet RS232 seri port bulunmaktadır. Güneş panellerinden gelen geri besleme bilgisinin ve diğer analog sinyallerin dijitale dönüştürülebilmesi için de 2 adet ADC’ye sahiptir.

 

Genel amaçlı kullanım için ise 8 port mevcuttur. Bu işlemcinin kullanılmasının sebebi ise sistemin daha sonra yapılabilecek genişlemelere ait donanım ihtiyacına açık oluşudur. Sistemin genelinde ise işlemci çevre birimlerden gelen bilgileri değerlendirip ilgili birimlerin hareket komutlarını yürütmekle yükümlüdür.

 

2.1.2. GPS modülü

Bu modül, tasarlanan sistemin dünya üzerindeki konumunun belirlenmesi, tarih-saat bilgisinin elde edilmesi ve buna bağlı olarak sistemin bulunduğu konumdaki mevsim koşulları ve güneşin geçiş açısı gibi değerlerin hesaplanması amacı ile kullanılmıştır. GPS modülü, uydudan aldığı bilgileri seri kanal ile merkezi birimle TSIP komutlarını kullanarak haberleşmektedir. Böylece, uydudan alınan bilgiler sayısala dönüştürüldükten sonra merkezi birime step motorların kontrolü ve panelin güneşe doğru yönlendirilmesi için aktarılmaktadır. Bu sayede paneller, konumdan ve yönden bağımsız olarak güneşin geçiş doğrultusuna yönlendirilmiş ve güneş ışınlarının paneller tarafından dik olarak alınması sağlanmıştır. Sonuçta güneş ışınlarından maksimum düzeyde yararlanılması sağlanmıştır.

 

2.1.3. Dijital pusula modülü

Bu modül, panelin yönünün saptanması, işlemci birime iletilmesi ve panel hareketinin tamamlanmasının ardından yön bilgisinin kontrolü için kullanılmıştır. Bu birim, üzerindeki sensör ile yön bilgisini belirleyip seri kanal üzerinden merkezi birime değerlendirilmek için gönderilmektedir.

 

Böylece tamamen otonom olan ve aynı zamanda mobil uygulamalarda kullanılabilen sistemin hareketi ya da dünya üzerindeki farklı konumlarda bulunabilme imkanının beraberinde yanlış yönlendirme hatasını en aza indirmektedir.

 

3. Tasarlanan sistemin yazılımı

Bu aşamaya kadar tasarlanan sistemin genel çalışma prensibi ve buna bağlı olarak kullanılan donanımlar ile bu donanımlara ait özellikler ve işlevler aktarılmıştır. Bu kısımda ise sistemin yazılım kısmına ait akış diyagramı ve genel olarak çalışma şekli anlatılmıştır.

 

Yukarıda akış diyagramı verilmiş olan yazılım ile ilk önce merkezi kontrol birimi gerekli başlangıç ayarlarını ve koşullandırmaları yaptıktan sonra programa ait ana döngü çalışmaktadır.

 

Sistem, ilk önce GPS aracılığı ile konumunu belirlemektedir. Buna göre dünya üzerinde hangi enlem boylam derecelerinde bulunduğu saptanmaktadır. Bu açılar daha sonra panelin yatayda ve düşeyde yönlendirilmesinde kullanılmıştır.

 

Sonrasında tarih ve saat bilgileri alınmaktadır. Bu tarih ve saat bilgisine göre yılın hangi zamanında olduğuna karar verilmektedir. Enlem ve boylam dereceleri ile birlikte bulunulan bölge için mevsim belirlenerek güneşin geliş açısı tespit edilerek güneşin geçiş rotası belirlenmektedir.

 

Devamında pusula aracılığı ile yön tespiti yapılarak panelin yönlendirileceği nokta için doğru yön belirlenmiştir. Pusuladan alınan bilginin yönlendirme açısı için etkisi belirlenmiş ve motorların hareket ettirileceği yön ile ilgili olarak işlemci tarafından değerlendirilmiştir.

 

Bütün toplanan veriler, işlemcinin geçici hafıza bölgesinde ayrı birer yazmaçta tutulur. Tutulan bu veriler, sırası ile ele alınmaktadır. Öncelikle yön bilgisi ele alınarak panelin dönmesi gereken açı hesaplanarak motorların çalıştırılacağı ilk parametre olarak bir değer üretilmiştir.

 

Daha sonra enlem ve boylam derecelerine göre hafızada kayıtlı olan güneşin geçiş yörüngelerinden ilgili olan bölge seçilmiştir. Bu seçimi biraz daha daraltmak için sonrasında tarih-saat bilgisi kullanılarak yaşanan mevsime ait güneşin geçiş yörüngesinde yeniden bir seçme yapılmıştır. Bu seçimle elde edilen değer, motorların döndürüleceği ilk parametre olan yön bilgisi ile işleme alınarak yeni bir değer üretilmiştir.

 

Yönlendirme işlemi tamamlandıktan sonra pusula tekrar aktifleştirilerek GPS’ten alınmış olan bilgi ile kıyaslanarak panelin doğru yöne bakıp bakmadığı kontrol edilmiştir. Neticenin doğru olduğu tespit edilemezse sistem yazılımsal olarak döngüyü en baştan tekrarlamaktadır.

 

Panelin güneşe bakışı ayarlandıktan sonra bu sefer de panelden alınan geri besleme değerleri kıyaslanarak hangi hücreden daha efektif enerji alınıyorsa sistem o hücrenin konumunu merkez kabul edecek şekilde yeniden bir yönlendirme yapılır.

 

Bu noktada artık ilk yönlendirme aşaması tamamlanmış ve maksimum enerji üretimi için güneş takibi yani sistem genel çalışma sürecine başlamıştır. Böylece sistemin sürekli olarak güneş ışınlarını dik bir açıyla alması sağlanmış ve optimum noktada yönlendirmeler yapılarak maksimum elektrik enerjisi üretilmesi sağlanmıştır.

 

4. Sonuç

Yapılan bu çalışmanın hedefi günümüzde gittikçe artan öneme sahip olan yenilenebilir enerji kaynaklarından mümkün olduğunca etkin bir şekilde faydalanmaktır. Güneş enerjisi; sokak aydınlatmalarında, trafik ışıklarında, hatta bazı evlerin çatılarında bireysel olarak elektrik enerjisi üretiminde kullanıldığı gibi ayrıca güneş santrallerinde de kullanılmaktadır. Çoğu uygulamada optimum noktaya sabit yönlendirme yapılsa da özellikle santrallerde panellerin güneşi takip etmesi önem kazanmaktadır.

 

Buradan hareket ile taşınabilir sistemler için ya da mevcut sistemlerde operatörsüz yönlendirme yapabilmek ve yönlendirme hatasından doğan enerji kaybını en aza indirmek için bu çalışma yapılmıştır.

 

Diğer yandan kullanıcı kaynaklı hataların en aza indirilmesi ve sistemin kurulum ve ayarlama aşamalarındaki sürecin kısalması sağlanmıştır. Ayrıca gerçek zamanlı anlık geri beslemeli takip ile de güneş enerjisinden hat safhada yararlanılabilmektedir. Sonuç olarak optimum enerji elde edilmesi, zaman maliyeti, taşınabilirlik ve hareketli sistemlere uygulanabilirlik bu çalışmanın asıl hedef noktaları olmuştur.

 

İleriki çalışmalarda sistemin gerçek zamanlı takip ile birlikte güneşin yörüngesinin bir haritadan seçilmesi yerine Yapay Sinir Ağları (YSA) kullanılarak sistemin daha kısa sürede kararlar vererek üretilen enerjinin daha da üst düzeylere çıkarılması hedeflenmektedir.

 

5. Kaynaklar

[1] Huang, F., Tien, D., Or, James, “A Microcontroller Based Automatic Sun Tracker Combined with a New Solar Energy conversion Unit”, IEEE , 1998

[2] Rumala, N., S., “ A Shadow method for automatic sun tracking”, Solar Energy, 37, 245-247, 1986

[3] German Solar Energy Society, “Planning and Installing Photovoltaic Systems: A Guide for Installers, Architects and Engineers”, Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie, 15, 2007

[4] Tyler, G., H., “Handbook of mechanical engineering calculations”, McGraw-Hill Professional, 17.1, 2006

[5] Hessian, J., P., Bonwick, J., W., “Experience with a sun tracker system” Solar Energy, 32, 3-11, 1984

[6] Koyuncu, B., Balasubramanian, K., "A Microprocessor Controlled Automatic Sun Tracker", IEEE Transactions on Consumer Electronics, 37, 913-917, 1991.

[7] Konar, A., Mandal, A., K., “Microprocessor based automatic sun tracker”, IEEE Proceedings A, Vol:138, 237, July 1991

[8] http://www.renesas.com

 

Mehmet SÜTÇÜOĞLU, (mehmetsutcuoglu@gmail.com) / Lale ÖZYILMAZ, (ozyilmaz@yildiz.edu.tr) - Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği, Yıldız Teknik Üniversitesi / 3E Electrotech / Eylül 2010

BU BÖLÜMDEKİ DİĞER BAZI BAŞLIKLAR