Kırsal Yerleşimlerde Fotovoltaik Enerji İle Çalışan Su pompalama Uygulamaları

Abstract

Bu çalışma Afgoye Somali için basit ama etkili bir fotovoltaik su pompalama sistemi için dizayn ve simülasyon sunmaktadır. PV syst v6.0 yazılımı su pompalama sistemini dizayn etmek ve simülasyon uygulamak için kullanılmaktadır. Solar veriler, uygun nitelikler, su gereksinimi ve depolama tank ölçüleri gibi veriler PVsyst için girdidir. Bunun yanında PV modülün maliyeti ve kullanım ömrü, solar pompası ve kumandası yazılım için birer veri girdisidir. Yazılımın veri çıktısı Afgoye bölgesinde ki kullanıcılara günlük ulaştırılan su miktarını, eksik kalan su miktarını, artan (kullanılmayan) PV enerjisini ve yıl boyunca sistemin verimliliğini (performans oranını) içerir. Simülasyon sonuçları su pompalama sisteminin pompalama verimlilik yüzdesini ve su pompalama sisteminin sistem verimliliğini gözler önüne sermiştir. Su pompalama yaşam döngüsü masraf analizi sonucunda SPV su pompalama sistemi Dizel sisteme oranla daha ekonomik ve fizıbıldır. Bu sonuçlar ülkeye daha çok SPV sistemlerinin kurularak mevcut olan daha pahalı Dizel sistemlerle yer değiştirmesi gerekliliğine işaret etmektedir. Ki bu da ülkenin Milenyum Gelişme Hedefine (MGH) ulaşmasında önemli ölçüde büyük bir rol oynayacaktır. Fosil yakıtlarının tüketimi çevresel olumsuz etkilere sahiptir. Özellikle atmosfere yapılan karbon dioksit (CO2) salınımı. CO2 emisyonu, birçok durumda zaten fosil yakıtlarla masraf yönünden rekabet edebilen yenilenebilir enerji teknolojilerinin uygulanmasıyla büyük ölçüde azaltılabilir. Büyük ölçekli solar su ısıtıcıları ve sebekeye bagli olmadan calisabilen (off-grid) PV sistemleri sozkonusu durum icin verilebilecek güzel örneklerdir. Özellikle PV’nin güçlü bir cazibesi vardır. Çünkü bitmeyen kaynak olan güneşten ücretsiz elektrik enerjisi üretmektedir. Güç üretimi esnasında hiçbir hareketli parça kullanmaz, fosil yakıt tüketmez ve hiçbir kirlilik veya sera gazı üretmez. PV modül maliyetlerinin düşmesi ve verimliliğinin artmasıyla birlikte PV hiç olmadığı kadar daha yagın hale gelmektedir. Bir su pompalama sistemini çalıştırmak için enerji kaynağına ihtiyaç vardır. Genel olarak AC ile beslenen güç sistemi ekonomik ve düşük bakım maliyetine sahip olduğundan, yakında AC enerji sağlayan elektrik şebekesi mevcut ise sistem AC ile beslenir. Ancak birçok durumda özellkle kırsal alanlarda su kaynakları kilometrelerce alana yayılmış durumdadır ve çoğu durumda enerji hatları yok denecek kadar azdır. Bölgede yeni bir iletim hattı ve yeni transformatörleri devreye almayı gerektirecek ve dolayısıyla çok pahalı bir çözüm olacaktır. PV sistemlerinde kullanan pompalar hem DC hem de AC çalışan tiptedirler. Kırsal alanlarda küçük güçlerde DC ile çalışan fırçasız doğru akım (BLDC) motorları sıklıkla kullanılmaktadır. Bu motorlar PV panellerinden aldıkları Doğru Akımı (DC) doğrudan kullanırlar. Dalgalı akım (AC) motorları daha karmaşık kontrol sistemlerine gereksinim duyarlar. Bunlarda aynı zamanda elektriği DC den AC ye dönüştürmek için inverter kullanıldığından, bu dönüşüm nedeniyle oluşan elektrik kaybı toplamda mevcut enerjinin daha az olmasıyla sonuçlanmaktadır. Çok yaygın olarak güneş enerjili pompalarla birlikte eşleştirilmiş BLDC motorlu sistemlerde invertere ihtiyaç duyulmadığından ve daha az karmaşık kontrol sistemleri kullandığından, toplam mevcut enerjinin daha fazla olmasi imkani vardır. Fotovotaik su pompalarının Somali’de kullanımlarının uzak erişimli bölgelerdeki uygulamalar icin ozellikle alt yapı hizmet bağlantıları $ 5000 doları aştığı yerlerde çok uygun maliyetli olacağı aşikardır. Ekseriyetle şebekeden uzaklıkları yaklaşık üçte bir ila yarım mil olan bölgeler uzak erişimli olarak kabul edilebilir. Bu uzak bölgeler için ozel uygulamalar şunları kapsar: • Sebekeye bağlı olmayan evler ve kulübeler. • Hayvancılıkta sulama: gölet ve akarsuların korunması, dönüşümlü veya öngörülmüş otlatma ve uzak meralarda otlatma. • Su ürünleri: sirkülasyon • Sulama: küçük ölçekli uygulamalar için en iyisidir. Otlatma işlemi için kurulmuş olan tipik bir güneş enerjili su pompalama sistemi, PV donanımını, kontrol ünitesini, pompayı ve aksesuarlarını kapsar. Donanımın ve pompanın ölçüsü birçok etken tarafından belirlenir. Bu bölümde sistemin büyüklüğünü (ölçek ve boyutları) belirlemek için kullanılan yöntem kurulum sırasında kullanılan genel işlemler boyunca anlatılmaktadır. Solar enerjili su pompaları uzak alanlarda su ihtiyacı olan çiftliklere basit ve az işçilikle sulama seçenekleri sağlayabilir. Solar enerjili su pompalamayla ilgili unutulmaması gereken genel bazı konular şunları içerir: • Su depolama metal tanklar yerine plastik tanklarda yapılmaktadır. Bu masrafları azaltır ve sistemi daha basit hale getirir. Yüzen bir anahtar (şamandıra) tank dolduğunda pompayı durdurur. • Bir elektronik pompa kontrolörü pompa akımını düzeltmek için kullanılır. Düşük elektrik durumunda pompanın çalışması ve işlemesi için adeta otomatik transmisyon işlevi görür. • Adeta kaplumbağa ve tavşan orneginde oldugu gibi yavaş ama kararli olan yarışı kazanır. Çoğu güneş enerjili pompalar, gün boyunca suyun ciddi mesafelere ve dikey yüksekliklere itilmesini sağlamak amaciyla, yavaş hızda pompalamak için yapılmıştır. Kurulum maaliyetini azalmak amaciyla yavas pompalarda küçük çaplı borular kullanilir. Yavaş pompalar düşük enerjiye gereksinim duyar ve geri dolması zaman alan kuyular gibi sınırlı su kaynakların kullanılmasına olanak tanır. • Sistemin maliyetini düşürmek için mutlaka su tasarrufu yapılmalıdır. PV modülleri pahalıdır ama su kullanımının herhangi yolla azaltılması tesis masraflarını da azaltacaktır. • Solar enerjili pompalar, genellikle ekonomik olmayan içten yanmalı motorların kullanıldığı küçük sistemler göz onüne alınacak olursa daha rekabetçidirler. • Solar enerjili pompa sistemlerinin bakım maliyetleri düşüktür. Sistemi otomatik durduran yüzen şamandırayı sadece ara sıra yoklamak gerekliliğini yerine getirmek yeterlidir. Fotovoltaik modüller nerdeyse 50 yıldan fazla bir süredir hayatımızdadır ve 1979’dan bu yana da seri üretimleri yapılmaktadır. Üretim teknolojilerindeki gelişmelerden dolayı ekonomik ölçeklere göre PV maliyetleri 1970’li yılların başlarından itibaren %90 oranlarında düşüş göstermiştir. PV modüllerin mevcut birçok iyi donanımlı şirketler tarafından her ölçekte ve boyutta üretimi yapılmaktadır. PV modüller için özellikle 30 yıldan fazla ömür tahmini altında, güvenirliğinin 20 ila 25 yıl arasında garanti edilmesi tipik bir durumdur. PV dizilimi güneş ışınlarını azami derecede yakalayabilecek şekilde inşa edilir. Bu genelde binaların ve ağaçların gölgesinden uzakta ve kurulduğu bölgenin enlem açısına uygun bir yere yerleştirmek anlamına gelir. 32 derecelik eğim açısına sahip aylık ortalama radyasyon analizleri Afgoa Somali’de ki aylık ortalama radyasyon değerlerinin PV enerji projesi geliştirmek için yeterli olduğunu göstermektedir. Dahası güneş enerjili PV su pompalama sistemleri genellikle yağışlı aylarda daha çok enerjiye ihtiyaç duyar. Düşük güneş radyasyon dönemlerinin yağışlı mevsimlere (Mayıs Ağustos arası) rastladığı için PV solar enerjili pompalama sistemlerinin ihtiyaç duyduğu güneş radyasyonları yeterli derecede mevcuttur. PV modülleri pompalarının çalışması için gereken güneş ışığı değeri kuyu konumuna en yakın enlem koordinatları tarafından belirlenir ( Afgoa Somali’de 25° ila 30° derece arasında). Bu değerler girildiginde verilen enlemde güneşlenme m2 basina 5.784 kWh/gun. Günlük su ihtiyacı 4.000 liter/gün (çarpanla birlikte) üç gün. Son olarak bu tezin PV uygulamaları için guc elektroniğine ilgi duyan diğer öğrencilerin çalışmalarına hizmet etmesini ve daha gelişmiş ileri projelere veya yüksek lisans tez araştırmalarını teşvik etmesini temenni ederim.

This study presents a design and simulation of a simple but efficient photovoltaic water pumping system for Afgoye, Somalia. PVsyst v6.0 software is used to design and perform simulation of water pumping system. The solar data, well characteristics, water demand and storage tank size are input to PVsyst. In addition, the cost and lifetime of PV module, solar pump and controller are input to the software. The output of the software includes the amount of water delivered for daily use to users in Afgoye region, amount of missing water, the excess (unused) PV energy and the system efficiency (performance ratio) during the year. The simulation results have shown the percentage of pump efficiency of the water pumping system and System efficiency of the water pumping system The life cycle cost analysis of pumping water shows that the SPV water pumping system is more economical and feasible compared to Diesel system. The results also indicate that more SPV systems can be installed in the country, replacing the existing more expensive Diesel systems, which would play significant role in achieving the country’s Millinium Development Goal (MDG) targets. The consumption of fossil fuels has an environmental impact, in particular the release of carbon dioxide (CO2) into the atmosphere. CO2 emissions can be greatly reduced through the application of renewable energy technologies, which are already cost competitive with fossil fuels in many situations. Good examples include large-scale solar water heating, and off-grid stand-alone PV systems. Especially, PV has a powerful attraction because it produces electric energy from a free inexhaustible source, the sun, using no moving parts, consuming no fossil fuels, and creating no pollution or green house gases during the power generation. Together with decreasing PV module costs and increasing efficiency, PV is getting more pervasive than ever. A water pumping system needs a source of power to operate. In general, AC powered system is economic and takes minimum maintenance when AC power is available from the nearby power grid. However, in many rural areas, water sources are spread over many miles of land and power lines are scarce. Installation of a new transmission line and a transformer to the location is often prohibitively expensive. Pumps that use PV systems are normally powered by BLDC motors. These motors use the DC output from the PV panels directly. Alternating current (AC) motors are sometimes used, but they require more complex control systems. They also result in less total energy availability due to the electrical losses caused when an inverter is used to convert the BLDC to AC electricity. Because BLDC motors do not require an inverter, utilize a less complex control system, and result in more total energy availability, they are most commonly paired with solar-powered pumps. Uses for Solar Water Pumps in Somalia Solar pumps are very cost-effective for remote applications, particularly where utility interconnect costs more than $5000. That is usually about one-third to one-half mile from the grid. Specific applications include: • Off-grid homes and cabins; • Livestock watering: pond and stream protection, rotational or prescribed grazing, and remote pasturing; • Aquaculture: circulation • Irrigation: best for small scale applications. A typical solar water-pumping system that is installed for a grazing operation includes the PV array, the controller, the pump, and accessories. The size of the array and the pump will be determined by several factors. In this section, the methodology used to determine the size of the system is described along with the general procedures used during installation. Solar water pumps can provide simple and low labor watering options for farms that require water in remote areas. Several general points to keep in mind about solar water pumping include: • Water storage in metal or plastic tanks is used instead of power storage in a battery. This reduces costs and makes the system simpler. A float switch turns the pump off when the tank is full. • An electronic pump controller is used to smooth out the current to the pump. It acts like an automatic transmission in the sense that it helps the pump to start and to operate in low light conditions. • As with the turtle and the hare, slow and steady wins the race. Many solar pumps are made to pump slowly over the course of the day, which allows water to be pushed over considerable distances and vertical rises. Slow pumps can use small diameter piping, reducing the installed cost. Slow pumps require less power and allow the use of limited water resources, such as a slowly recharged well. • To reduce the cost of a system, water conservation must be practiced. PV modules are expensive, and reducing water use in any manner will save on the installed cost. • Solar pumps are generally most competitive in smaller systems where combustion engines are least economical. • Solar pump systems are low maintenance. With automatic shut off from a float valve, they require only occasional inspection. Photovoltaic modules have been around for more than 50 years and have been mass produced since 1979. Due to improvements in manufacturing technology and economies of scale, the cost of PV has fallen by 90% since the early 1970s. PV modules are now readily available in a wide range of sizes from several well established companies. The reliability of PV is such that 20- to 25-year power warranties are typical, with life expectancies beyond 30 years. PV arrays are installed so that they maximize the amount of direct exposure to the sun. That usually means placement in an area clear of shading from buildings and trees, and at an angle equal to the latitude of the location. Analysis of the monthly average radiation at the 32° tilt angle shows that the average monthly radiation in Afgoa Somalia is sufficient for the development of solar PV power project. Further, solar PV water pumping systems require energy mainly during the months. Since the periods of low solar radiation in Somalia coincide with the availability of rainfall (May to August), the availability of sufficient solar radiation to energies the solar PV pumping system is ensured. PV modules, to run the pump, and sun¬light value is determined by the nearest latitudinal coordinate of the well location (between 25° and 30° in Afgoa Somalia ). When you insert this value, Insolation at given latitude 5.784 kWh/day. Daily Water Requirement 4000 liter/day (with multiplier) three day. Finally, wishes that this thesis serves the interests of other students who are interested in power electronics for PV applications and provides encouragement towards more advanced senior project or master’s thesis research.