Şebekeden bağımsız fotovoltaik sistemler güneş ışınlarından elektrik enerjisi üreten sistemlerdir. Off grid güneş enerjii sistemleri olarak da bilinen bu sistemler şebeke hattının olmadığı, şebeke hattı çekmenin zor olduğu veya ekonomik olmadığı ya da şebeke elektriğinin sık sık kesintiye uğradığı bölgelerde nispeten düşük güç ve enerji talepli elektrik enerjisi sağlamak için kullanılmaktadır.

Telekom istasyonları, yerleşime uzak evler, trafik işaretleri, acil durum aydınlatma sistemleri, sokak aydınlatması, sulama sistemleri ve bunun gibi kullanım alanlarında şebekeden bağımsız fotovoltaik sistemler tercih edilir.

Off grid (şebekeden bağımsız fotovoltaik sistemler) başlıca bileşenleri

• Güneş panelleri (solar modüller)
• Güneş panellerinin montaj konstrüksiyonları
• Solar şarj kontrol cihazları
• Aküler
• İnvertör (Evirici)
• Solar sulama pompası (sulama sistemlerinde)
• Güneş izleyici, tracker (isteğe bağlı)

Solar Şarj Kontrol Cihazı

Solar şarj kontrol cihazı, güneş panellerinin ürettiği ve standart akü gerilimlerinden yüksek DC gerilimleri uygun şarj gerilimine düşürerek akü grubuna zarar vermeden aküleri doldurmaya yarar.

Bu cihazlarının Seri, şönt, seri-şönt ve MPPT olmak üzere 4 çeşidi vardır. Bu cihazlar 6-60 V standart akü gerilimlerinde ve 1-150 A şarj akımlarında üretilmektedir.

Konvansiyonel seri, şönt, seri-sönt solar şarj kontrol cihazları en sık kullanılan tiplerdir. Akü şarj akım ve gerilimini seri veya paralel topolojide yarı iletken güç anahtarlarıyla (bipolar transistör, MOSFET) PWM kumandalı olarak regüle ederler. Verimleri %99 civarlarındadır. Buna rağmen en büyük dezavantajları, devre topolojilerinden dolayı akü geriliminin ilk şarj fazında güneş paneli nominal çalışma gerilimini (Ump) zorlayarak aşağı çekmesini engelleyememeleridir. Bu nedenle güneş panelinden verebileceği anlık max. gücü alamazlar.

Mosfetlerin kullanıldığı MPPT teknolojili solar şarj kontrol cihazları pasif devre elemanları da içerir. Ek olarak PWM yanında değişik bir algoritma ile kumanda edilirler. Yani kabaca tanımlamak gerekirse DC/DC çeviricilerdir. Böylelikle güneş paneli, devamlı max çalışma noktasında (MPP) çalışır. Solar modülden %20-30 arasında daha fazla enerji alınarak akü grubuna yansıtılır. Bu sebeple fiyatları konvansiyonel tiplerden daha yüksektir. Verimleri %96-98 civarındadır. Fakat 500 Wh/gün’den yüksek enerji taleplerinden itibaren konvansiyonel solar şarj kontrol cihazlarıyla tasarlanmış sistemlerin toplam fiyatlarıyla rekabet edecek hale gelir.

Şarj kontrol cihazlarının önemli elektriksel özellikleri

• Max. Giriş kısa devre akımı
• Giriş akımı
• Max giriş gerilimi
• Akü şarj akımı
• Akü şarj gerilimi
• İç enerji harcaması (küçük sistemlerde ön plana çıkar)

İnce film güneş enerji panelleri standarda uygun olmayan yüksek çıkış gerilimleri dolayısıyla sadece MPPT solar şarj kontrol cihazları ile birlikte kullanılmaktadır.

Solar şarj kontrol cihazları günümüzde oldukça gelişmiştir. Örneğin, tüm sistem parametrelerini uzaktan izlemeyi sağlayan, jeneratör startı verebilen, son kullanıcının kullanım koşullarına göre ayarlanabilen komplike modelleri bile mevcuttur.

Akü

Akü, güneş panellerinin ürettiği elektrik enerjisini depolamaya yarar. Yüklerden geceleri gelen normal talebi veya gece, gündüz oluşan anlık yüksek enerji taleplerini üstlenerek, solar şarj kontrol cihazını ve güneş panellerini aşırı yüklenmelere karşı korur. Kapasiteleri yüksek seçilerek soğuk ve kapalı havalarda solar modüller yeteri kadar yüksek enerji üretmediğinde kullanıcılara kesinti olmadan enerji sağlar.

Off grid sistemlerde (şebekeden bağımsız fotovoltaik sistemler) akü karakteri düşük ve salınım yapmayan yükleri uzun zaman sağlama yönündedir. Genellikle kurşun asit teknolojili aküler kullanılır. Kurşun asit akülerin çoğunlukla kullanılmasında fiyatın da etkisi vardır. Başlıcaları sulu ve kuru tip akülerdir. Genellikle 2,6,8,12 V gerillim ve 1-3000 Ah kapasitelerde mevcutturlar. Daha yüksek gerilim elde etmek için seri bağlanırlar. Kapasiteleri sıcaklıkla doğru orantılı şekilde artar. Ömürleri ise kullanıma göre de değişmekle birlikte sıcaklıkla ters orantılıdır. Şarj ve deşarj gerilimleri toplam %80-85 civarındadır. Ancak uzun süre deşarj konumunda bekletmek aküyü kullanılmaz duruma getirir.

Solar Akü Çeşitleri

Sulu akülerde kurşun plakalar (kutup başları) arasında sülfürik asit bulunmaktadır. Bu aküler insanların bulunmadığı bölümlere yerleştirilirler çünkü şarj ve deşarj esnasında akü kapağındaki valflerden (VRLA-Akü) gaz çıkışı olmaktadır. Belirli aralıklarla bu akülere asit takviyesi yapmak gerekir.

Kuru akülerde plakalar arasında sülfürik asit emdirilmiş jel (Jel-Akü) ya da cam elyafı (AGM-Akü) bulunur. Bu tip aküler yer durumuna göre yatık da yerleştirilebilirler. Akü tamamen kapalıdır, gaz çıkışı olmaz.

Kapasiteleri gerekenden yüksek seçilerek işletme ömürlerinin uzaması sağlanabilir. Ancak devamlı kullanımda (her gün deşarj ve şarj) ömür beklentileri en çok 4 – 5 yıl, stand-by kullanımda ise 10-15 yıla kadar çıkabilmektedir.

Şebekeden bağımsız fotovoltaik sistemler (Off-Grid PV sistemlerde) jel aküler tercih edilmektedir. Çünkü derin deşarja dayanım özelliği, tam bakımsız olmaları ve bağımsız pozisyonlandırılabilme özelikleri vardır. Diğer taraftan yüksek enerji taleplerinde ise bakım gerektiren sulu aküler kullanılmaktadır. Ayrıca montaj yerindeki ortam sıcaklığı da projelendirmede önemli bir faktördür.

Genelde şarj esnasında kuru aküler 2-3, sulu aküler 4 olmak üzere çeşitli şarj fazları ile şarj edilirler (Bulk, absorbtion, float, equilisation).

Akülerin önemli elektriksel özellikleri

• Standart şarj gerilimi,
• Çeşitli kullanım sürelerine göre kapasiteler (Ah)
• Nominal ve max. şarj akımı,
• Şarj fazlarındaki akım, gerilimler ve sürelerdir.

Kurşun asit akülerin enerji yoğunlukları 30,5Wh/kg civarındadır. Son zamanlarda kullanımları artan ve fiyatları yüksek lityum iyon teknolojili aküler ise kg başına 4,5 kat fazla enerji depolayabilmektedirler.

İnvertör (Evirici)

Invertör (evirici), aküden aldığı DC gerilimi 230V 50Hz AC’ye dönüştürür. Normalde elektrik şebekesinde çalıştırılan cihazlara enerji sağlar. Giriş gerilim seviyeleri 12-48 V DC aralığındadır. Genellikle off-grid sistemler için kullanılan invertörler 150-10.000 VA arasında tek fazlı olarak üretilirler. Daha yüksek güçlerde, giriş gerilimlerinde ve üç faz çıkışlı ürünler de mevcuttur. Özel üretim 3 adet tek fazlı cihaz ve özel bir bağlantı kablosu ile 3 fazlı bir sistem elde etmek de mümkündür. Ayrıca bazı modeller güç artırımı için tek fazlı olarak paralel bağlanabilirler. Yüksek kalkınma akımlarına dayanıklı özel tip invertörler de mevcuttur.

Tam ve modifiye sinüs çıkışlı olanlar sıkça karşılaşılan evirici tipleridir. İnvertör seçimi, çalıştıracakları cihazların karakterlerine göre yapılmaktadır. Ayrıca montaj yerinde oluşacak max. ve min. ortam sıcaklıkları da dikkat edilmesi gereken etkenlerdir.

İnvertörler ayrıca kendilerini ve bağlı oldukları ekipmanları korumak için çeşitli elektriksel güvenlik önlemleriyle donatılmışlardır. Örneğin beslendikleri akü grubunu derin deşarjdan korumak üzere belirli bir akü gerilim seviyesinin altında, yük taraflı kısa devrelerde, aşırı yüklerde ve yüksek ortam ısısında yüke enerji vermeyi keserler. Güneş panellerinin direk bağlandığı konvansiyonel ya da MPPT solar şarj kontrol cihazlı ve / veya şebekeden de akü şarj edebilen, jeneratör startı verebilen, uzaktan izlenebilen tipleri de mevcuttur.

İnvertörlerde genelde tam veya yarım köprü mosfet grubu – 50 Hz trafolu ya da yüksek frekans DC/DC yükseltici – 50 Hz tam köprü mosfet grubu topolojisi kullanılır. Verimleri % 78-96 arasında olup en yüksek verimi kısmi yükte verirler.

İnvertörlerin önemli elektriksel özellikleri

• Çıkış gücü
• Çıkış gerilimi
• Çıkış frekansı
• Giriş gerilimi
• Verim
• Kalkınma gücü ve süresi
• Ortam sıcaklığına göre güç düşüş yüzdesi
• Boş çalışma gücü

Solar Sulama Pompaları

Solar sulama pompaları, çoğunlukla tarımsal amaçlı olarak kullanılmaktadır. Güneş panellerinin ürettiği enerji, pompanın sürücüsünde bulunan MPPT devresi üzerinden direk pompa motorunu çalıştırır. Bundan dolayı direkt güneş ışınımıyla çalışmada akü grubuna ihtiyaç duymaz.

Sadece gündüzleri su çeker ve mevcut bir su deposuna suyu basar. Sulama suyun kendi ağırlığıyla bu depodan günün istenen saatlerinde yapılmaktadır. Çalışma gerilimleri 30-800V aralığında olup 260m’ye kadar derinliklerden su çekmek mümkündür. Pompa motor ve sürücüden oluşan sistemlerin toplam verimleri yüksektir.

Pompa, sürücü ve motor olmak üzere 2 kısımdan oluşur, motor kısmı kuyuya indirilir. Bazı modellerde sürücü motora entegredir. Motor 3 fazlıdır fakat adım motoru prensibine göre çalışmaktadır. Pompa sürücüsünün akü girişi de vardır. Bu nedenle gerektiği yerlerde pompa akülerden de çalıştırılmaya imkan verir. İzleyicilerle çekilen su miktarı artırılabilir. Kuyu ve depo sensörleri kullanılarak susuz çalışıp pompanın yanması ve istenenden fazla su çekilmesinin önüne geçilir.

Son zamanlarda şebeke enerjisiyle çalışan geleneksel üç fazlı dalgıç pompalarını başka hiçbir kaynağa ihtiyaç göstermeden direkt güneş panellerinden çalıştıran sistemler pazara sunulmuştur. Fakat toplam sistem verimleri DC modellere göre daha düşüktür.

Solar Tracker (Güneş İzleme Sistemi)

Solar tracker (güneş izleyici) ile güneş ışınlarının güneş panellerine günün her saati sürekli dik gelmesi sağlanır. Bu sayede sabit bir güneş paneline göre (izleyicinin enerji harcaması ihmal edildiğinde) % 10-30 arası daha fazla enerji kazanmak mümkündür.

Yatay ve dikey yönlerde konumlama yapan çift akslı izleyicilerin yanında tek akslı sadece yatay, sadece dikey ya da sabit eğimde yatay konumlama yapan izleyiciler de mevcuttur.

Off-grid sistemlerde yeterli güneş paneli montaj alanının olmadığı yerlerde az alandan mümkün olan en yüksek enerjiyi alabilme amaçlı kullanılırlar. Normalde gerekli panel gücü ve maliyeti bu şekilde düşürülebilse de ek olarak tracker maliyeti ortaya çıkmaktadır. Ama mekanik aksamlarından dolayı periyodik bakıma ihtiyaç gösterirler.

Son birkaç yılda panel fiyatlarının oldukça düşmesi sebebiyle kullanımları sadece zorunlu uygulamalar alanına kaymıştır.

Bu anlattığımız başlıca ekipmanların dışında gerektiği durumlarda montaj konstrüksiyonu, konnektör, branch, parafudr kullanılmaktadır. Ayrıca paratoner, topraklama, sigortalar ve solar kablo da sistemlerde güvenlik için kullanılır. Aşağıda bu ekipmanlardan bazıları görülmektedir.

Bir sonraki yazımızda örnek bir şebekeden bağımsız fotovoltaik sistem tasarlama konusunu ele alacağız. Yazıya aşağıdaki linkten ulaşabileceksiniz.

Şebekeden bağımsız off grid evlere güneş enerjisi tasarlama ve kurulum