Fotovoltaik (PV) Pompa Sistemi Bileşenlerinin Hesabı

Çalışma kapsamında, bir fotovoltaik (PV) pompa sisteminin optimum olarak boyutlandırılması için bir programlama algoritması oluşturulmuştur. Boyutlandırma algoritması, sistemdeki enerji dengesini temel alarak çalışmaktadır. Algoritma, hem akülü hem de aküsüz PV pompa sisteminin boyutlandırılması için uygun olarak modellenmiştir. Akü içeren PV pompa sistemleri için optimizasyon, aküye giren-çıkan enerjilerin dengesi ile iterasyon yöntemi kullanılarak gerçekleşmektedir. Akü içermeyen sistemler için optimizasyon, pompanın kullandığı enerjiyi karşılayabilecek PV panel alanının bulunmasını temel almaktadır.
Çalışmada oluşturulan algoritma, Temmuz ayında Manisa-Salihli ilçesinde 1 hektarlık alanda mısır bitkisi için uygulanmıştır. Bitkinin sulanması için damlama sulama yöntemi kullanıldığı kabulü yapılmıştır. Ek olarak, kuyu için gerekli kabuller ve varsayımlar yapıldıktan sonra, pompaya gereken güç 1,5 kW ve debi 9,55 m³/h olarak hesaplamalara eklenmiştir. Sonuç olarak, sistemde akünün bulunması dahilinde toplam 23 adet PV panel gerekli iken, akünün olmaması durumunda 36 adet PV panel gerekli olduğu hesaplanmıştır. Gerekli akü miktarı ise 3 adet olarak bulunmuştur. Bu sonuçlara göre, sistem içerisinde akü kullanılması halinde, gerekli PV panel miktarının önemli ölçüde düşürüldüğü hesaplanmıştır. Ek olarak, bir diğer önemli sonuç ise, sistemde akü bulunmaması durumunda, PV panelin elde edebileceği potansiyel enerji miktarının yarısı israf edilmektedir. Ancak akü kullanılması durumunda ise, israf edilecek bu enerji aküler tarafından
toplanarak, sistemin daha optimize edilebilir bir hal alması sağlanmaktadır.

GİRİŞ

Güneş enerjisi, elektrik şebekesinin bulunmadığı ve/veya bulunduğu bölgelerde aydınlatma, pompalama, vb. düzeneğe güç vermek için yaygın olarak kullanılmaktadır. Güneş enerjisinin en önemli avantajları; bu kaynağın tükenmez olması ve kullanım
güvenliği sunmasıdır [1]. Bununla birlikte, fotovoltaik (PV) sisteminin dezavantajı ise geleneksel enerji kaynaklarına kıyasla yüksek maliyetidir. Bu yüzden PV panel içeren sistemlerinin optimizasyon çalışmalarının yapılması önem teşkil etmektedir [2]. Genel olarak, PV sistem boyutlandırması, sezgisel, analitik, sayısal ve yapay zekâ
yöntemleri kullanılarak gerçekleştirilebilir. Sezgisel yöntem, en kritik aya veya ortalama aylık güneş ışınımına dayanan en basit yöntemdir. Bununla birlikte, bu yöntem PV pompa sisteminin aşırı yüksek veya düşük boyutlandırılmasına yol açabilir, bu da maliyeti ve/veya sistemin güvenilirliğini azaltabilir. Sistem büyüklüğünün analitik
bir yöntem temelinde hesaplanması sezgisel yöntemden daha basit ve daha doğrudur, ancak bu denklemlerin karmaşıklığı bu yöntemin temel dezavantajıdır [3].

PV pompalama sistemleri, elektrik şebekelerine hiçbir bağlantısı olmayan veya sınırlı bağlantısı olan kırsal alanlarda suya erişim sağlamak için en kritik çözümlerden biridir. PV panel ile çalışan su pompalama sistemlerinin, kullanım güvenliği, sağlamlık ve çevre ile uyum gibi birçok avantajları vardır [4]. İyi tasarlanmış yenilenebilir enerji kaynaklı bir su pompalama sistemi, Diesel jeneratör veya şebekeye bağlı su pompalama sistemlerine göre hem yüksek verimlilik hem de ekonomi açısından rekabetçi olabilmektedir. PV pompa sistemleri esas olarak PV paneller, elektrik motoru ve pompa setinden oluşmaktadır. Ancak, sistem gereksinimlerine bağlı olarak, akü ve şarj regülatörleri de sisteme eklenebilir. Motor AC (alternatif akım) ile çalışıyorsa, AC-DC dönüştürücüsüne ihtiyaç vardır. DC (doğru akım) ile çalıştırılırsa da DC-DC
dönüştürücüleri sisteme eklenebilir [5].

Birçok araştırmacı, PV pompa sisteminin boyutlandırılması, ekonomik performansının incelenmesi ve çevresel fizibilite çalışmaları üzerine odaklanmışlardır [6]. Kaldellis ve diğerleri, saatlik meteorolojik veriler yardımı ile PV pompa boyutlandırması yapmışlardır ve deneysel veriler ile kıyaslama yapmışlardır [7]. Bakelli ve diğerleri, PV pompa ile su tankı modellemesini LPSP (the loss of power supply probability) konseptini kullanarak bir çalışma gerçekleştirmişlerdir [8]. Yahyaoui ve diğerleri, PV
pompa sistemlerinin optimum boyutlandırılması için enerji dengesini kullanarak bir algoritma oluşturmuşlardır [9] . Salam ve diğerleri, PV pompa sistemi için hazır PV boyutlandırma programı (HOMER) kullanarak bir çalışma yapmışlardır [10]. Ma ve diğerleri tekno-ekonomik optimizasyon yöntemi kullanarak sistem modellemesi çalışması gerçekleştirmişlerdir [11]. Muhsen ve diğerleri ise, hibrit çok kriterli karar
verme yöntemlerini ve sistemin ekonomik verilerini değerlendirerek bir boyutlandırma çalışması yayınlamışlardır [3].

Çalışmada, akü varlığında ve yokluğunda fotovoltaik pompa sisteminin boyutlandır- Fotovoltaik (PV) Pompa Sisteminin Bileşenlerinin Hesabı
Engineer and Machinery, vol. 61, no. 700, p. 170-179, October-December 2020 173 ma algoritması tamamlanmıştır. Bu çalışma ile sistemin akü varlığında ve yokluğunda sisteme gereken PV panel miktarlarının oldukça farklı olduğu gösterilmiştir. Ek olarak bu çalışma, hangi sistemin daha avantajlı olduğunun belirlenmesi için ekonomik analizlerinin yapılması için de bir ön adım olmaktadır.

Çalışma kapsamında, öncelikle, eğik yüzeye gelen ışınım hesabı yapılacaktır, ardından bitkinin su ihtiyacı belirlenip bu ihtiyacı karşılayabilecek dalgıç pompa seçimi yapılacaktır. Sonraki adımda, bu pompanın yükünü kaldırabilecek optimum PV panel yüzey alanı ve akü miktarının hesaplama adımları verilecektir. Daha sonra oluşturulan algoritma için örnek çalışma gerçekleştirilecektir. Algoritma programı, araştırmacılar ve ilgili sektördeki kişiler için yardımcı bir kaynak olacağı amaçlanmıştır.

FOTOVOLTAİK (PV) POMPA SİSTEMİNİN BİLEŞENLERİNİN HESABI

Eğik Yüzeye Gelen Işınım Hesabı
PV pompanın komponentlerinin hesaplanabilmesi için yataya gelen güneş ışınımının teorik olarak hesaplanması gerekmektedir. Eğik yüzeye gelen saatlik ışınım, izotropik gök yaklaşımı ile hesaplanması Denklem 1 ile verilmiştir [12].

BOYUTLANDIRMA ALGORİTMASI

PV pompa sisteminin uygun ve optimum boyutlandırılması, sistem için gerekli olan enerji talebinin tam olarak karşılaması anlamına gelmektedir. Bu nedenle bitkinin yaşam döngüsü boyunca ihtiyaç duyduğu su miktarını, alanın coğrafi özelliklerinin, güneş ışınımının, PV panelin özelliklerinin, akü kapasitesinin ve su deposunun boyutlarının uygun ölçütlerde hesaplanması ve belirlenmesi gerekmektedir. Hesaplamalar, akünün şarj ve deşarj arasındaki enerji dengesi üzerinedir. Böylelikle, ihtiyaç
duyulan su hacminin pompalanması sağlanabilmektedir. Algoritmanın temel amacı, aküyü derin deşarj veya aşırı şarjdan korurken ve sulama için gereken su hacmini sağlarken gün boyunca yük beslemesini belirlemektir. PV pompa uygulamalarında, düzenekler hem akülü hem de aküsüz olarak kurulmaktadır [19]. Bu açıdan algoritma hem akülü sistemler için hem de akü içermeyen sistemler için uygulanmıştır. Algoritma, Şekil 2 ile gösterilen sistem için oluşturulmuştur. Algoritmanın şeması ise Şekil 3 ile verilmiştir. Algoritma, MATLAB programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir.

Şekil 3 ile verilen boyutlandırma algoritmasının adımları aşağıda verildiği gibi düzenlenmiştir.
Adım 1. Bölüm 2.1’de Denklem 1 kullanılarak eğik yüzeye gelen ışınımın hesaplanması gerçekleştirilmektedir.

Adım 2. Denklem 14 ile verilen panel veriminin hesaplanması yapılmaktadır.
Adım 3. Bölüm 2.3 ile işlenen bitkinin hektar başına günlük su ihtiyacının hesaplanmasından sonra Bölüm 2.4’de gösterilen yöntem ile pompa seçimi yapılmaktadır. Böylelikle pompa gücü ve pompa çalışma süreleri hesaplanabilir.
Adım 4. Bu adımda genel algoritma, sistemde akünün kullanıp kullanılmayacağına göre iki farklı hesaplamaya yönlendirecektir.
PV pompa sisteminin akü içermesi halinde:
Adım 5. Başlangıç PV panelin yüzey alanı [14,19], toplam gücü ve akü miktarı sırasıyla Denklem 26, Denklem 27 ve Denklem 28 ile hesaplanabilir [19].

Adım 8. Denklem 29 ile değerlendirilir ve eğer Eşarj>Edeşarj ise panel yüzey alanı azaltılır, diğer durumda yüzey alanı arttırılır. PV panelinin artış veya azalış miktarı 0,25 metre kare olarak belirlenmiştir. Eğer Eşarj ve Edeşarj yaklaşık birbirine eşit ise iterasyon durdurulur ve uygun panel alanı bulunmuş olur. Denklem (29) ile gösterilen eşitliğin iki tarafındaki fark, 50 W’dan düşük olduğu zaman iterasyon durmaktadır.

Denklem 30 ile verilen eşitlikte, Denklem 26’dan farklı olarak akü bulunmadığı için akü ile ilgili verim terimi çıkartılmıştır. Ayrıca, yataya gelen ışınım ile pompa çalışma süresinin çarpımı denkleme eklenmiştir (Şekil 5).
Adım 7. Böylelikle bulunan PV panel yüzey alanı seçilen pompanın enerji ihtiyacını karşılayabilecek kapasitede olacaktır. Yüzey alanını, bir adet PV panel yüzey alanına bölerek gerekli panel sayısı bulunabilir [14].

ALGORİTMANIN DOĞRULUĞUNUN GÖSTERİLMESİ

Çalışma kapsamında oluşturulan fotovoltaik pompa sisteminin boyutlandırma algoritmasının doğruluğunun gösterilmesi için referans [19] kullanılmıştır. Tablo 5 ile her iki modelde çıkan önemli sonuçlar karşılaştırılmıştır. Referans alınan modelin iklim koşulları ve PV panel verileri, çalışmada oluşturulan model ile aynı değerde olacak şekilde hesaplamalar tamamlanmıştır.

Tablo 5 ile gösterildiği gibi, referans model ile çalışmada oluşturulan modelin verileri birbirine yakın çıkmaktadır. Bu açıdan, çalışma kapsamında oluşturulan modelin hesaplamaları geçerli olduğu kabul edilebilir. İki model arasında oluşan sayısal farklılıklar, boyutlandırma algoritmasının oluşturulma şeklinden, kullanılan formüllerin
farklılığından ve çalışmada oluşturulan hesaplamalara bazı iklim verilerinin eklenmemesinden kaynaklanmaktadır.

ALGORİTMANIN BİR ÖRNEK ÜZERİNDE UYGULANMASI

Bölüm 2.1 ile yataya gelen ışınım değerleri verilmiştir. Bölüm 2.2 ile PV panel tipi ve panel verimliliği hesabı yapılmıştır. Bölüm 2.3 içerisinde, 1 hektarlık mısır bitkisinin günlük sulama suyu ihtiyacı “m³” cinsinden bulunmuştur. Bölüm 2.4 ile su ihtiyacına göre pompa seçimi yapılmıştır. Son olarak Bölüm 3 ile algoritmanın işleyişinin adımları anlatılmıştır. Bu bölümlerde belirlenen kriterlere göre, sistemde akü varlığında Tablo 6, akü olmadan Tablo 7 ile algoritma çıktılarının özeti verilmiştir. Tüm ışınım ve ortalama hava sıcaklığı verileri Meteoroloji Genel Müdürlüğü resmi internet sitesinden alınmıştır [16].

Tablo 5 ve Tablo 6 ile PV pompa sisteminin, akülü ve aküsüz çıktı verilerinin özetleri gösterilmiştir. Sistemde akü kullanılmaması durumunda, PV panelin güneşten elde edilebileceği maksimum enerjinin neredeyse yarısının israf edilmiş olduğu görülmüştür. Ancak akü kullanılması durumunda, israf edilecek enerji depolanmaktadır ve sistem bu sayede daha iyi optimize edilebilmektedir.

SONUÇ VE ÖNERİLER

Çalışma kapsamında geliştirilen PV pompa boyutlandırılması için oluşturulan algoritma çalışma kapsamında Manisa ili Salihli ilçesinde 1 hektarlık alanda mısır bitkisi için uygulanmıştır. Dahası, çalışmada oluşturulan algoritma, istenilen bölgeye ve bitkiye uygulanabilmektedir. Hesaplamaların tümü bir dalgıç pompa ve PV panel arasında gerçekleşen bir enerji dengesi kullanılarak gerçekleşmektedir. Sistemde akünün
kullanılması neticesinde, PV panel miktarının önemli ölçüde düşürülebildiği hesaplanmıştır. PV panel sayısı düşürülmesi bir avantaj iken, akünün varlığı bir dezavantajdır. Gerçekte, bir fotovoltaik pompa sisteminin kurulabilmesi için, sadece en zor koşulları temel alan bir hesaplamadan ziyade, sistemin ekonomikliğinin daha fazla önem teşkil ettiği söylenebilir. Bu açıdan çalışma içerisine, daha kapsamlı meteorolojik veriler içeren yöntemler, su deposu hesaplamaları, daha kapsamlı sulama suyu ihtiyacı hesaplama yöntemleri ve en önemlisi ekonomik analiz eklenerek algoritma daha hassas ve doğru hale getirilebilir.

Hazırlayan:

Grundfos Kıdemli Bölge Müdürü Mak. Müh. Ahmet Demir,

Makine Mühendisi Dr. F. Mertkan Arslan,

Ege Üniversitesi Öğretim Üyesi Prof. Dr. Hüseyin Günerhan.

KAYNAKÇA

1. Abdelhak, B., Abdelhalim, B., Eddine, B. S., Layachi Z., Amor F., Brahami M. 2019. “Comparative Study on Photovoltaic Water Pumping Systems Driven by Direct Current Motor (DCM) and Induction Motor (IM) Optimized with P&O Control”, AIP Conference Proceedings, 2190, p.020002-1-11.
2. Khatib, T., Mohamed, Sopian, A. K., Mahmoud M. 2011. “A New Approach for Optimal Sizing of Standalone Photovoltaic Systems”, International Journal of Photoenergy, vol. 2012, no. 391213, p.1-7.
3. Muhsen, D. H., Khatib, T., Abdulabbas, T. E. 2018. “Sizing of a Standalone Photovoltaic Water Pumping System Using Hybrid Multi-Criteria Decision Making Methods”,Solar Energy, vol. 159 p.1003–1015.
4. Allouhi, A., Buker, M.S., El-houari H., Boharb, A. Amine, M. B., Kousksou T., Jamil A. 2018. “PV Water Pumping Systems for Domestic Uses in Remote Areas: Sizing Process, Simulation and Economic Evaluation”, Renewable Energy, vol. 129, no.8, p.1-8.
5. Poompavai, T., Kowsalya M. 2019. “Control and Energy Management Strategies Applied for Solar Photovoltaic and Wind Energy Fed Water Pumping System: A review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 107 p.108–122.
6. Campana, P. A., Li, H., Yan, J. 2013. “Dynamic Modelling of a PV Pumping System With Special Consideration on Water Demand, Applied Energy, vol. 112, p.635-645.
7. Kaldellis, J.K., Spyropoulos G.C., Kavadias K.A., Koronaki, I.P. 2009. “Experimental Validation of Autonomous PV-Based Water Pumping System Optimum sizing”, Renewable Energy, vol. 34 p.1106–1113.
8. Bakelli, Y., Arab, A. H., Azoui, B. 2011. “Imal Sizing of Photovoltaic Pumping System With Water Tank Storage Using Lpsp Concept”, Solar Energy, vol. 85, p.288–294.
9. Yahyaoui, I., Chaabene, M., Tadeo F. 2013. “An Algorithm for Sizing Photovoltaic Pumping Systems for Tomatoes Irrigation”, International Conference on Renewable Energy Research and Applications , Electronic ISBN: 978-1-4799-1464-7.
10. Salam, M. A., Aziz A., Al-Waeli, A., Kazem, H. A. 2013. “ Optimal Sizing of Photovoltaic Systems Using HOMER for Sohar, Oman”, International Journal of Renewable Energy Research, vol. 3, no.2, p.301-307.
11. Ma, T., Yang, H., Lu L., Peng, J. 2014. “Pumped Storage-Based Standalone Photovoltaic Power Generation System: Modeling and Techno-Economic Optimization”, Applied Energy, vol. 137, p.649-659.
12. Duffie, J. A., Beckman, W. A. Solar Engineering of Thermal Processes, Fourth Edition, John Wiley and Sons, ISBN 978-0-470-87366-3.
13. Habib, M.A., Said, S.A.M., El-Hadidy M. A., Al-Zaharna I. 1999. “Optimization Procedure of a Hybrid Photovoltaic Wind Energy System”, Energy, vol. 24, p.919-929.
14. Almarshoud A. F. 2016. “Sizing of PV Array for Water Pumping Application”, 32nd European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, At Munich, Germany
15. Tarımsal Araştırmalar ve Devlet Su İşleri Genel Müdürlüğü Politikalar Genel Müdürlüğü, “Türkiye’de sulanan bitkilerin bitki su tüketimi rehberi”, Ankara.
16. https://www.mgm.gov.tr (Erişim Tarihi 08.04.2020)
17. Çengel, Y., Cimbala, J.M. 2012. Akışkanlar Mekaniği Temelleri ve Uygulamaları, Güven yayınları, ISBN: 978-975-6240-18-2.
18. https://tr.grundfos.com/grundfos-for-engineers/videos-grundfos-product-center.html (Erişim Tarihi 05.04.2020)
19. Yahyaoui, I. 2016. Specifications of photovoltaıc pumping systems in agriculture sizing, fuzzy energy management and economic sensitivity analysis, Elsevier inc., ISBN: 978- 0-12-812039-2.
20. Yahyaoui, I., Ammous, M., Tadeo F. 2015. “Algorithm for Optimum Sizing of a Photovoltaic Water Pumping System”, International Journal of Computer Applications, vol. 111, no. 6, p.21-28.