Yazan: Korhan | 23 Nisan 2009 | Kategoriler: Makine Mühendisliği
Güneş Enerjisi İle Çalışan Su Pompalama Sistemleri/2
Muhsin Tunay Gençoğlu (mtgencoglu@firat.edu.tr)
Fırat Üniversitesi Müh. Fak. Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü
4. Güneş Enerjili Su Pompalama Sistemleri
Güneş enerjisi ile çalışan su pompalama sistemlerinin tarihi 1970 ‘li yıllara dayanır. Su pompalarının büyük bir kısmı, köy veya kasaba içme ve temizlik suyu temini için kullanılmaktadır. Tarımsal sulama alanında kullanılan güneş pompalarının sayısı daha az olmasına rağmen, bu rakam hızlı bir artış göstermektedir [11].
Güneş enerjisi ile çalışan su pompalama sistemleri genel olarak üç amaç için kullanılabilir.
• Güneş enerjisi ile kullanım/içme suyu pompalama.
• Tarımsal amaçlı su pompalama.
• Hayvansal sulama amaçlı su pompalama.
Her üç kullanım biçiminde de pompalanacak suyun miktarı, yüksekliği, kalitesi ve kuruluş/işletme maliyetleri göz önüne alınarak farklı donanımlar kullanılabilir [8].
Güneş enerjisi ile çalışan su pompalama sistemlerinin diğer pompalama sistemlerine göre başlıca üstünlükleri şunlardır:
• Bakım istemeden kendi başlarına çalışırlar.
• Yakıt gerektirmezler.
• Uzun ömürlüdürler.
• Sistem kendi başına çalıştığı için istenilen yere (mesela yakıt taşıması güç olan yerlere) kolaylıkla kurulabilir.
Güneş enerjisi ile çalışan pompaların kötü yanları ise, sistem kuruluş fiyatının yüksek ve pompalanan su miktarının güneşe bağlı olmasıdır. Güneş olmayan zamanlarda gerekli olan su, sistemde bulunan su deposundan sağlanmaktadır. Şekil 2 ‘de güneş enerjisi ile çalışan tipik bir su pompalama sistemi görülmektedir.
Güneş enerjisi ile çalışan su pompalama sistemlerinde, standart motor-pompa sistemleri kullanıldığında, hidrolik verim yaklaşık olarak %30-40 arasındadır. Sistemde kullanılan güneş pillerinin verimleri %12-15, elektronik güç deneticilerinin verimleri ise %90-95 dolaylarındadır. Kullanılan bu donanımlarla toplam sistem verimi %4-7 olmaktadır. Bu değer, güneşten gelen kullanılabilir enerjinin, istenilen miktardaki su kütlesinin, istenilen yüksekliğe pompalanması arasındaki enerji dönüşüm verimidir. Bir başka deyişle, güneş enerjisinin, potansiyel enerji olarak su kütlesine depolanması dönüşümünün verimidir. Bu sistemlerin verimlerinin sürekli artması, bir yandan kullanıcı sayısını arttırmakta, diğer yandan da sistemlerin maliyetlerinin azalmasına neden olmaktadır.
4.1. Fotovoltaik Piller
PV piller güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştürürler. Bir PV pilin üretmiş olduğu elektrik 0.6 volt civarındadır. Güneş pilleri seri olarak bağlanır ve PV modülleri oluştururlar. Tipik bir modül açık güneşli bir havada 12 volt, 10 amper yani 120 watt elektrik üretebilir. Modüller, elde edilen gerilimi artırmak için seri, akımı artırmak için ise paralel olarak bağlanırlar. Birden fazla modülün bağlanması ile PV levhalar meydana gelir. PV modül üreten firmalar pil özelliklerini verirken 1 kW/m2 ’lik güneş enerjisini ve 25 °C pil sıcaklığını standart ölçü olarak alırlar.
Güneşten mümkün olan maksimum enerjiyi toplayabilmek için PV modüllerin gün boyunca en çok güneş gören güney yönüne (kuzey yarım küresinde) bakmaları ve bulunan enleme göre zamana bağlı olarak yatay ile belirli bir açıda olmaları gerekir. Genel olarak kış aylarında modüller bulunan enlemden 15° daha dikey olmalıdır. Yaz aylarında ise, güneşin daha dik oluşundan dolayı modüller ile yatay arasındaki açı, bulunan enlemden 15° aşağıda olmalıdır. Modül eğimini değiştirmek kolay olmadığından ve kışın daha çok güneş enerjisine ihtiyaç duyulduğundan, PV modüller genellikle kış aylarına göre ayarlanırlar.
4.2. Güç Kontrol Cihazı
Güneşten elde edilen elektrik enerjisi, güneş enerjisinin değişik zamanlardaki şiddetine bağlı olarak gün boyu değişir. Tipik bir PV pilin karakteristik akım-gerilim eğrisine göre, maksimum enerji eğrisi güneş şiddetine göre değişmektedir. Güç kontrol cihazı genellikle mikroişlemci tabanlı elektronik bir cihazdır. Bu cihaz PV modüller ile su pompası arasına konur ve pompanın her an maksimum enerji noktasında çalışmasını sağlar. Böylece, güneşten elde edilebilecek maksimum enerji sürekli alınmış olur.
4.3. Su Pompası
Güneş enerjisi ile çalışan su pompaları genellikle diğer pompalara göre daha verimlidirler. Bu pompalar küçük uygulamalarda d.a. ile çalışırlar. Fotovoltaik piller de d.a. ürettikleri için pompa doğrudan pillere bağlanabilir. Büyük sistemlerde a.a. pompası kullanmak daha ekonomiktir. A.a. pompalarının çeşitleri daha çok olup, fiyatları daha düşüktür. Fakat doğru akımı alternatif akıma dönüştürmek için inverter gereklidir. İnverter pahalı olup, bir güneş enerji sisteminin en sık arızalanan elemanıdır.
Tablo 1’de güneş enerjisi ile çalışan küçük su pompalama sistemlerinde kullanılan bir pompanın özellikleri verilmiştir.
Güneş enerjisi ile çalışan su pompalama sistemlerinde 3 değişik pompa konfigürasyonu yaygın olarak kullanılır. Dalgıç motor-pompa sistemlerinde, motor ve pompa su içerisine daldırılmıştır. Bu sistemler orta derinlikteki (yaklaşık 50 metre) su pompalamada yaygın olarak kullanılır. Yüzey motor-pompa sistemlerinde pompa su içerisine daldırılır ve bir aksona ile su dışına yerleştirilmiş olan motora bağlanır. Bu sistemler, bakımları güç olduğundan ve pahalı olduklarından dolayı kullanım alanları azdır. Yüzen motor-pompa sistemlerinde ise, motor ve pompa seti su üzerinde yüzer şekilde durur. Bu sistemler daha çok yüzey su (baraj, göl vb.) pompalaması ve özellikle tarımsal sulama alanlarında geniş çapta kullanılırlar.
4.4. Su Deposu
Güneş enerjisi ile çalışan tarımsal sulama sistemlerinde su deposu, genellikle suyu depolamak ve güneş olmadığı zamanlarda kullanmak için gereklidir. Bu nedenle, enerjiyi saklamak için batarya yerine su deposu kullanılır. Su pompalama için gerekli olan hidrolik enerji, pompalanacak olan yükseklik ile doğru orantılı olduğundan, su deposunun yerden yüksekliği mümkün olduğu kadar az ve depo çapının yüksekliğine oranı büyük olmalıdır [5].
4.5. Su Pompalama Sistemlerinin Ekonomik Analizi
Herhangi bir su pompalama sisteminin ekonomik analizi, birbirine bağlı üç temel başlık altında toplanabilir. Bunlar;
1) Yatırım Maliyetinin Geri Kazanım Süresi: Sistemin satın alma ve kuruluş maliyetlerinin toplamının, sistemin kullanım süresi boyunca, alternatiflerine oranla getirdiği gelirin, satın alma ve kuruluş maliyetine eşit olduğu süredir.
2) Yıllık Geri Kazanım Oran : Sistemin bir yıllık kullanımı süresince, alternatiflerine oranla getirdiği gelirin, satın alma ve kuruluş maliyetine oranıdır.
3) Sistem Ömrü Boyunca Toplam Maliyet: Sistemin satın alma, kuruluş, işletme giderleri ve kullanım ömrü boyunca alternatiflerine oranla getirdiği gelirlerin toplamıdır.
Yukarıda anlatılan analiz yöntemlerinin tümünde göz önüne alınması gereken değerler ise; satın alma maliyeti, kuruluş maliyeti, kullanım süresi boyunca işletme ve bakım maliyeti, kullanım süresi boyunca yakıt maliyeti, kullanım süresi boyunca yedek parça maliyeti, kullanım süresi boyunca çevresel etki maliyeti ve diğer özel giderler şeklinde değerlendirilebilir. Bu değerlerin her yıl için yıllık enflasyon oranı ve yıllık indirim oranları göz önüne alınarak, sistemin kullanım ömrü süresince değerlendirilmesi gerekmektedir. Ekonomik analiz yapılırken, her yıl için ayrı ayrı değerlendirme yerine, yıllık enflasyon ve indirim oranları kullanılarak, kullanım ömrü süresi içinde maliyetin bugünkü değerini bulmak, daha kolay ve anlamlıdır. Bugünkü maliyetin değeri, sistemin toplam ömrü boyunca, o günkü satın alma ve kuruluş maliyetine oranla gelecek yıllardaki ek giderlerinin hesaplanmasıyla (kullanım ömründen önce bazı parçaların yenilenmesi gibi) ve sistemin işletilmesi için gerekli olan maliyetin (mazot, benzin, yağ, elektrik vb. giderler) kullanım ömrü boyunca değerlendirilmesiyle bulunabilir [8].
4.6. Su Pompalama Sistemlerinin Tasarımı
Özellikle uzak mesafelere su pompalanması gereken yerlerde, en yaygın uygulamalardan biri güneş enerjisi ile çalışan su pompalama sistemleridir. Su kaynağının yetersiz olduğu durumlar dışında, genellikle bu tür sistemlerde bataryanın kullanılmasına gerek yoktur. Yaygın olarak kullanılan yöntem elektriğin depolanması yerine, güneşin olmadığı zamanlarda önceden depolanan suyu kullanmak üzere, sistemde bir su deposunun bulunmasıdır.
Bir su pompalama sisteminin tasarımı yapılırken, sistem bileşenlerinin tümü için parametrelerin sayısını belirlemek gereklidir. İlk olarak, günlük su ihtiyacı belirlenmelidir. İkinci olarak, kullanılabilir su miktarına ve suyun pompalanacağı dikey uzunluğa göre su kaynağı karakterize edilmelidir. Günün her saati için bu faktörler bilinmeli ve pompalama oranı belirlenmelidir. Pompalama yüksekliği, pompalanacak suyun miktarı ve basıncı göz önünde bulundurularak pompalama gücü tespit edilmeli ve amper-saat ihtiyacına göre pompalama için kullanılacak motorun gücü belirlenmelidir [12].
Güneş enerjisi ile çalışan tarımsal sulama sistemi tasarımı yapılırken, aşağıdaki üç faktörün önceden hesaplanması veya tahmin edilmesi gerekir [13].
1) Suyun pompalanacağı toplam yükseklik
2) Günlük su ihtiyacı
3) Fotovoltaik pil ihtiyacı
4.6.1. Suyun Pompalanacağı Toplam Yükseklik
Toplam yükseklik; pompanın kuyu içerisindeki derinliğine, su yüzeyinin derinliğine ve deponun yüksekliğine bağlıdır. Su yüzeyinin derinliği genellikle mevsime göre değişir ve kuyudan su çekildikçe düşer. Su derinliğinde büyük değişiklik olması bekleniyorsa ortalama yüksekliği almak gerekir.
Toplam yükseklik aşağıdaki formülle hesaplanabilir (Şekil 2):
H = Hd+ Hy+ Hp (1)
Burada H toplam yükseklik, Hd deponun yerden yüksekliği, Hy su yüzeyinin derinliği ve Hp pompanın su içerisindeki derinliğidir. Su yüzeyinin derinliği ise,
Hy= Hs+ Hk (2)
olarak gösterilebilir. Hs suyun mevsime bağlı olarak değiştiği statik derinlik ve Hk kuyudaki suyun derinliğidir.
Kuyudan su çekmek için gerekli olan hidrolik enerji şu şekilde hesaplanabilir.
E = r◊g◊V◊H (3)
Burada, E gerekli olan hidrolik enerji (Watt-saat/gün), r su yoğunluğu (1001 kg/m3, 20°C sıcaklıkta), g yerçekimi ivmesi (9.80665 m/s2), V pompalanmak istenen toplam su hacmi (m3/gün) ve H suyu pompalandığı toplam yüksekliktir (m). Denklem (3)’de sabit değerler yerine konursa
E = 9816,56◊V◊H (4)
olarak bulunur. Enerji normal olarak kWs/gün olarak hesaplanır. Denklem (4) ‘ü aşağıdaki gibi yazabiliriz.
E = 0,002726◊V◊H (5)
Burada; E, V hacmindeki suyu bir günde H yüksekliğine pompalamak için gerekli olan hidroelektrik enerjinin kWs/gün olarak değeridir.
4.3.2. Günlük Su İhtiyacı
Tarımsal sulamada günlük su ihtiyacı; ekili alanın büyüklüğü, ekinin günlük su ihtiyacı, mevsim ve hava durumu (yağmur, sıcaklık ve güneşlenme miktarı) ve toprağın özellikleri gibi faktörlere bağlıdır. Ortalama günlük su ihtiyacı genellikle her hektar ekili alan için 60-80 m3 arasında değişir.
4.3.3. Fotovoltaik Pil İhtiyacı
Gerekli olan PV pil ihtiyacını hesaplamak için, sistemin kurulacağı bölgedeki ortalama güneş enerjisi dağılımını bilmek veya tahmin etmek gerekir.
I, günlük ortalama güneş enerjisi miktarını (kWs/m2/gün) göstermek üzere, gerekli olan PV enerji kW olarak aşağıdaki formül ile hesaplanabilir.
(6)
Sistem verimi de göz önüne alınarak, denklem (6) aşağıdaki gibi yazılabilir.
(7)
Gerekli olan PV enerji miktarını aylık değerler olarak hesaplamak daha uygundur. Bu durumda, i ayı için gerekli günlük enerji şu şekilde hesaplanabilir.
(8)
Toplam yıllık PV elektrik enerjisi ihtiyacı ise,
(9)
olarak hesaplanabilir. Burada Ni, i ayı içerisindeki gün sayısıdır [13].
5. Sonuç
Ülkemiz coğrafi konumu nedeniyle sahip olduğu güneş enerjisi potansiyeli açısından birçok ülkeye göre şanslı konumdadır. Güneş enerjisinden yararlanma potansiyeli, Türkiye ‘nin tüm bölgeleri için ciddiyetle ele alınmasını gerektiren bir büyüklüktedir. Sahip olduğumuz bu potansiyelin daha etkin ve verimli bir şekilde kullanılması, ülke ekonomisi ve enerji sorunu açısından oldukça önemlidir.
Türkiye ‘de PV güneş pillerinin kullanım düzeyi üzerinde yeterli veri olmamakla birlikte, yaklaşık 125 kW ‘lık bir kullanılır güç olduğu sanılmaktadır. Geleceğe yönelik kullanım projeksiyonları ise belirsizdir. Oysa, PV üretim, gelecek açısından ihmal edilmemesi gereken bir konudur. Bu alanda hedef ve politikalar saptanmalı, PV panellerin Türkiye ‘de üretilmesinin gerekliliği belirlenmelidir.
Toplam enerji tüketimi içinde güneş enerjisinin payını artırmak için, güneş sistemleri üreticileri ve kullanıcılarına teşvik uygulanması yararlı olacaktır. Güneş enerjisi teknolojisini uygun şekilde geliştirmek ve pazarlamak için gereksinim duyulan ana yatırımlar kararlı, uzun vadeli ve düzenleyici politikalarla desteklenmelidir. Güneş enerjisinden elektrik üretimi, hükümetlerin yaygın olarak kullanımını teşvik ettiği teknolojiler arasında değerlendirilmelidir.
PV sistemler; trafik sinyalizasyonu, otoyollarda aydınlatma ve telefon iletişimi, orman kuleleri, deniz fenerleri, park ve bahçe aydınlatması, şebekeden uzak kırsal ünitelerdeki elektrik gereksiniminin karşılanması gibi alanlarda öncelikli uygulama bulabilirler. Uzun dönemde birkaç yüz kW ‘ın üzerindeki üretim birimleri ile ulusal elektrik ağına bağlantılı biçimde çalışabilirler. Dünyada örnekleri olan bu tür kullanımlar, pilot uygulamalarla Türkiye ‘de de başlatılmalı ve PV panellerin ekonomikliğine bağlı olarak geliştirilmelidir.
Güneş enerjisi ile çalışan su pompalama sistemlerinin, ülkemizdeki konvansiyonel güç şebekesinin yetersizliği düşünüldüğünde, kullanım suyu amaçlı, tarımsal amaçlı ya da sulama amaçlı bir çok uygulama alanında, ekonomik ve uzun ömürlü olduğu görülmektedir.
Kaynaklar
1. Benlarbi, K., Mokrani, L., Nait-Said, M.S., “A Fuzzy Global Efficiency Optimization of a Photovoltaic Water Pumping System”, Solar Energy, Vol.77, pp.203-216, 2004.
2. Simoes, M.G., Franceschetti, N.N., “A Risc-microcontroller Based Photovoltaic System for Illumination Applications”, Proceeding of IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, Vol.15, 2000.
3. Matsui, M., Kitano, T., Xu, D., Yang, Z., “A New Maximum Photovoltaic Power Tracking Control Scheme Based on Power Equilibrium at DC Link”, Proceeding of IEEE Industry Applications Conference, 1999.
4. Akbaba, M., Akbaba, M.C., “Dynamic Performance of A Photovoltaic-Boost Converter Powered DC Motors-Pump System”, Proceeding of IEEE International Conference, IEMDC’99, pp.1-6, 1999.
5. Güneş, M., “Fotovoltaik Sistemin Sağladığı Elektrik Enerjisi İle Çalışan Bir Uygulama Sisteminin Tasarımı”, F.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Elazığ, 1999.
6. Gençoğlu, M.T. ve Cebeci, M., “Türkiye ‘nin Enerji Kaynakları Arasında Güneş Enerjisinin Yeri ve Önemi”, Türkiye 8.Enerji Kongresi, s.63-73, Ankara, 2000.
7. Oktik, Ş., “Fotovoltaik Güneş Pilleri ve Güç Sistemleri Dünü Bugünü Yarını”, Türkiye 8.Enerji Kongresi, s.47-62, Ankara, 2000.
8. Kıran, E., “Güneş Enerjisi İle Su Pompalama Sistemleri”, 3e Electrotech, sayı 93, 2002.
9. Alaçakır, F.B., “Güneş Enerjisinin Küçük Ölçekli Zirai Sulamada Kullanılmasının Araştırılması Projesi Sonuç Raporu”, EİE Bülteni. 1991.
10. İbrahim, D., “Bilgisayar Destekli Fotovoltaik Sistem Tasarımı”, Kaynak Elektrik Dergisi, sayı 90, s.71-78, 1996.
11. Koner, P.K., “Optimization Techniques for A Fotovoltaik Water Pumping System”, Renewable Energy, vol.6, p.53-62, 1995.
12. Messenger, R., Ventre, J., “Photovoltaic Systems Engineering”, CRC Pres LLC, ISBN-0-8493-2017-8, pp.108-114, 2000.
13. Gençoğlu, M.T., Cebeci, M., Güneş, M., “Güneş Enerjisi İle Çalışan PLC Kontrollü Su Pompası Sistem Tasarımı”, 3e Electrotech, sayı 94, s.90-96, 2002.
14. Atlam, Ö. ve Kuyumcu, F.E., “Önerilen Bir Fotovoltaik (PV) DC Motorlu Su Pompa Sisteminin Modeli ve Test Çalışması”, V.Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, s.217-226. İstanbul, 2004.
15. Benghanem, M., Hadj Arab, A., Mukadam, K., “Data Acquisition System for Photovoltaic Water Pumps”, Renewable Energy, Vol.17, pp.385-396, 1999.
16. Hadj Arab, A., Chenlo, K., Mukadam, K., Balenzategui, J.L., “Performance of PV Water Pumping Systems”, Renewable Energy, Vol.18, pp.191-204, 1999.