Çatıda Güneş Enerjisinden Elektrik Üretimi Nasıl Yapılır?

Yenilenebilir enerji kaynaklarından olan güneş enerjisi ile geniş arazilerdeki güneş tarlalarının yanı sıra ev, iş yeri, park ve dinlenme yerleri vb. yapıların çatılarına yerleştirilen sistemlerle de elektrik üretimi mümkün olmaktadır.

Çatı üzerine kurulan güneş panelleri ile üretilen elektrik enerjisi, kurulu üretim kapasitesine bağlı olarak, bina ihtiyacına ve kullanılmayan fazla üretim ise şebekeye satılarak değerlendirilebilmektedir.

Çatı güneş enerji santralleri, meskenlerde güneş paneli kurulacak alanın sınırlı olmasından dolayı ortalama olarak üretilen elektrik gücü 10 kW seviyesindeyken daha büyük tesis çatılarında 100 kW seviyelerine kadar çıkabilmektedir.

Güneş enerjisinden elektrik üretimi; güneş panelleri (PV panel-photo voltaic), panellerden üretilen DC elektriğin depolandığı akü, şarj kontrol cihazı ve akülerde depolanan DC elektrik enerjisini, AC şebeke elektriğine çeviren DC-AC çevirici, uygun kablolama ve sistem güvenliğinin sağlanması için gerekli ekipmanların kullanımı yeterlidir.

Ayrıca bina şebeke elektriği ile güneş panellerinden üretilip çevirici ile kullanıma hazır hale gelen elektrik enerjisinin ayrıştırılması amacıyla farklı sigorta bağlantıları üzerinden elektrik yükleri beslenmelidir.

İki besleme arası geçişler otomatik olarak bir izleyici terminal üzerinden gerçekleştirilebilmektedir.

Öncelikle kurulacak sistemin fizibilite, maliyet-analiz çalışması yapılır.

Çatı üzerinde kurulum yapılacak alanın boyutları ölçülerek alana yerleştirilebilecek maksimum panel sayısı ve toplam güç hesaplanır.

Şekil-1 Çatıda güneş enerjisinden elektrik üretimi [1]

Şekil-1’de güneş enerjisinden elde edilen elektrik enerjisinin binada kullanımı ve şebekeye satılması için gerekli ekipmanlar gösterilmiştir.

Güneş panelleri içeriğine göre; monokristal, polikristal, ince film, esnek olarak çeşitlendirilmiştir. Üreticilerin ürün katalogları incelenerek maliyet, kullanım ömrü, bakım kriterlerine göre uygun ürüne karar verilerek ürün seçimi yapılır.

Güneş enerjisi ile üretilen DC elektrik enerjisi AC’ye çevrilene kadar güneş panelinde, DC ve AC kablolarda, ortam sıcaklığının artışının olumsuz etkileri, panelin gölgede kalması, panel üzerinden toz veya kar birikmesi ve DC-AC çeviricinin veriminden kaynaklı elektriksel kayba uğrar.

Örnek olarak çatı için seçilen 320 W maksimum üretim gücüne sahip, güneş ışığını %18.7 verimle elektrik enerjisine çeviren, monokristal bir güneş paneli 1.7m x 1m x 40mm boyutlarına ve 19 kg ağırlığa sahiptir. Ortalama olarak 25 yıl süre sonunda panellerin üretebileceği maksimum güç %15 kadar düşmektedir. 50 m² bir çatı üzerine belirtilen panellerden 29 adet yerleştirilerek maksimum 9 kW elektrik üretimi mümkündür.

Ardından üretilecek elektrik gücüne uygun akü, çevirici ve şarj kontrol-izleme seçimi yapılır. Genellikle solar sistemlerde çevresel koşullardan daha az etkilenen, derin deşarja dayanıklı, şarj-deşarj ömrü uzun olan jel aküler kullanılmaktadır.

Bulutlu havalarda veya kışın güneşlenme süresinin azalmasından dolayı akü kapasitesinin, sistemi minimum 2-3 gün boyunca yetersiz şarjla besleyebilecek kapasitede olması gerekmektedir. Akü grubu 12V, 24V, 48V, 72V gibi birbirine paralel veya seri akülerin birleşimiyle oluşturulur.

Çevirici veriminin yüksek ve elektriksel koruyucu donanımlara sahip olması gerekmektedir. Şarj izleme ve kontrol amacıyla Bluetooth gibi kablosuz ara birimlerle kişisel olarak kontrole imkân sağlayabilen MPPT solar şarj regülatörlerinin sistem gücüne uygun ürün seçimi yapılır.

Ön çalışmalar tamamlandıktan sonra kurulum aşamasına geçilebilir. Çatı üzerinde yerleştirilen panelleri verimli kullanabilmek amacıyla çatı zemini üzerine Şekil-2’de belirtilen eğimin konum enlemine göre belirlenmesi gerekir.

Şekil-2 Güneş paneli eğimi (Tilt açısı) [2]

Çatı zeminine yerleştirilen sabit güneş panelleri Eşitlik 1, 2 ve 3 kullanılarak optimum eğimle yerleştirilmelidir.

Örnek olarak 40˚ enleme sahip olan bir konumun güneşin en fazla açısal değişime sahip olduğu günlerin ortalamasının alınması yeterlidir.Eşitlik 1’de yer alan 81 sayısı yılın 81. günü yani ekinoks tarihini belirtirken n ise yılın hangi günü olduğudur.

21 Haziran (n=173) için uygun olan güneş panelinin sabitlendiği yüzeye olan açısı eşitlikler kullanılarak 16.55˚ olarak bulunur. 21 Aralık (n=356) için ise 63,45˚ bulunur.

Yıl boyunca sabit kalacak şekilde yerleştirilecek güneş panellerinin optimum açısı maksimum ve minimum açıların ortalaması olarak alındığında 40˚ olarak belirlenir. Güneş panellerinin çatıya montajında hesaplanan bu ortalama eğim açısı kullanılabilir.

Güneşin, gün içindeki hareketi esnasında güneş panelleri üzerine başka cisimlerin gölgesinin düşmesi panellerden alınabilecek gücün azalmasına sebep olmaktadır. Bu yüzden çatı üzerinde gölge oluşturabilecek nesneler dikkate alınmalıdır.

Eğer hareketli olan yani çatı üzerinde mikro kontrolcüye bağlı motorların kontrol ettiği stantlara bağlı panellerin kurulumları yapılacaksa ortalama sabit bir açı yerine her gün için hesaplanan açı değeri ile otomatik olarak paneller uygun eğime getirilerek daha verimli kullanılabilir.

Güneş panelleri üzerinde oluşan kar birikmesi, tozlanma, vb. güneş ışığının tam olarak alınmasını önleyeceğinden dolayı verimin düşmesine sebep olur. Belirli aralıklarla panellerin temizlenmesi gerekmektedir.

Çatı üzerine yerleştirilen güneş enerji santralinin uzun ömürlü, verimli ve güvenli olabilmesi için ekstra bazı kriterlere de dikkat edilmelidir. Sistem çatı üzerine konumlandırılırken bakım, kablolama, yangın riskleri, paratoner ve DC parafudr kullanımı, kurulum yapılan bölgenin ortalama rüzgâr istatistiklerine uygun dayanıma sahip panel ve sabitleme ekipmanları seçimi de sisteme mutlaka eklenmesi gereken ekipmanlardır.

Referanslar:

[1] https://www.dupageco.org
[2] Renewable and Efficient Electric Power Systems, Gilbert M. Masters, 2004.