Bir fotovoltaik modülden gelen çıkış akımı doğrudan yüzeye vuran güneş ışığı miktarıyla ilişkili olsa da, çıkış voltajı çoğu güneş ışığı koşulunda genellikle tutarlı bir seviyeye sahiptir. Ancak Voltaj sıcaklıktan etkilenir. Bu etkinin anlaşılması, akünüzün doğru şekilde şarj edilmesini ve seçilen solar modülün akünün gerekli şarj voltajıyla doğru şekilde eşleşmesini sağlamaya yardımcı olacaktır.
Kurşun Asit Akülerin Şarjı
İlk olarak anlaşılması gereken kurşun asit akülerin voltajla değil akımla şarj edildiğidir. Güneş paneli dizisinin voltajının yalnızca akımın akmasına izin verecek kadar yüksek olması gerekir, herhangi bir ekstra voltaj güneş paneli dizisinde kullanılmadan kalan güçtür. Bir Maksimum Güç Noktası İzleyici (MPPT) kontrolörü bu ekstra gücü güneş dizisinden alır ve aküyü şarj etmek için ek akıma dönüştürür (biraz daha detay vereceğiz). Güneş paneli dizisinden gelen voltaj akü voltajına kıyasla yeterince yüksek değilse, akım akmayacak ve akü tam olarak şarj olmayacaktır.
Güneş Paneli Dizisi ile Akü Arasındaki Voltaj
İkinci olarak, bir güneş modülünün Maksimum Güç Voltajının (Vmp) neden akü voltajından çok daha yüksek olduğunu anlamanız gerekir. Örnek verirsek çoğu nominal 12V PV modülü, Standart Test Koşullarında (STC) 17~19 VDC'lik bir Vmp'ye sahiptir ve seri bağlanmış 36 güneş hücresinden oluşur. Bunun yanında çoğu nominal 12V Kurşun Asit akü 14.1~14.4 VDC şarj voltajına sahiptir. Bu örnekte görüldüğü gibi neden PV modülü ile akü arasında bu kadar voltaj farkı var ? Bu soruyu 3 ana sebep sıralayarak cevaplayabiliriz:
Kablolama Kaybı: 12 VDC’lik bir sistemde voltajın yaklaşık %5’i kablolar arasında kaybolur, yani yaklaşık 0.6 VDC.
Regülatör Kaybı: Regülatörün özelliklerine bağlı olarak diyot ve transistörlerde yaklaşık 0.5 VDC ile 1.2 VDC’e kadar voltaj kaybı olur.
Sıcaklık kaynaklı Modül Voltaj Kaybı: PV modülün voltaj ve sıcaklık katsayısına bağlı olarak 50 ˚C’de yaklaşık 4 VDC voltaj kaybı olur.
Yukarıda listelediğimiz kayıpları alt alta topladığımızda yaklaşık 1 VDC’den 5 VDC üzerinde bir kayıptan bahsediyoruz. Eğer PV modül Vmp’si 18 VDC ise ve toplam voltaj kaybını da ortalama 4 VDC olarak düşünür isek, akümüzü şarj etmek için geriye 14 VDC kalır. Bu da neden Kurşun Asit aküler için genellikle minimum şarj voltajının 14 VDC olması gerektiğini açıklıyor.
Voltaj kaybına neden olarak sıraladığımız 3 sebebe göz attığımızda, en fazla kaybın PV modülünde sıcaklık kaynaklı olduğunu fark etmişsinizdir. Şimdi bunu biraz daha detaylandıralım.
STC ve NOTC
Bir güneş paneli veya PV modülü datasheet’ini incelediğinizde STC ve NOTC başlığı altında paylaşılan farklı performans değerleri görürsünüz. Peki nedir bu STC ve NOTC ?
Standart Test Koşulları (STC), tüm solar güneş panellerinin nominal güçlerini ve diğer özelliklerini belirlemek için test edildiği endüstri standardı koşullardır. Örneğin bir panel 350Wp kapasiteye sahip olarak tanıtıldığında, bu STC altında üretmesi beklenen güçtür.
STC altında olarak kastedilen koşullar şudur:
Hücre Sıcaklığı: 25 ˚C
Işınım: 1000 W/m2
Hava Kütlesi: 1.5 (Atmosferde sıcaklık ve nem bakımından çoğunlukla eşlenik olan büyük hava hacmi)
Sıcaklık derecesinin panel içindeki hücre için olduğunu unutmayın (ortam hava sıcaklığı değil). Güneş paneli hücreleri güneş ışığına maruz kaldığında ısınır ve hücre sıcaklığı ortam sıcaklığından 20-30 derece daha yüksek olabilir.
Nominal Çalışma Hücre Sıcaklığı (NOCT) (bazen Normal çalışma hücre sıcaklığı olarak da adlandırılır), STC'ye göre gerçek dünya koşullarına daha uygun olan bir dizi koşul altında bir güneş panelinin ulaştığı sıcaklık olarak tanımlanır. Bu koşullar:
Ortam Sıcaklığı: 20 ˚C
Işınım: 800 W/m2
Hava Kütlesi: 1.5
Rüzgar Hızı: 1 m/s
NOCT STC'de olduğu gibi hücre sıcaklığını değil, ortam hava sıcaklığını kullanır. Bunu dikkatlice not edelim.
Peki STC ve NOTC altında belirtilen değerleri nasıl okumalı ve okuduğumuzdan nasıl bir sonuç çıkarmalıyız? Gelin bir örnek üzerinden gidelim. Elimizde 140 W olarak satın aldığımız aşağıdaki datasheet’e sahip bir güneş paneli olsun:
Sıcaklık etkisini anlamak adına bizim için önemli olan değerler:
VoC (açık devre voltajı) = 22.2 VDC (STC değeri)
Vmp (maksimum güç voltajı) = 18.3 VDC (STC değeri)
Temperature coefficient of Voc = -0.36%/K (STC’de Voc için sıcaklık katsayısı)
NOCT = 48˚C +/-2˚C
Sıcaklık Kaynaklı Kayıp Hesaplama
Sıcaklığın Voltaj üzerindeki etkisini daha iyi anlayabilmek için, yukarıdaki örneğimiz üzerinden bazı hesaplamaları yapalım:
22.2 Voc X -0.36% = -0.07992 V voltaj kaybımız olur.
Örneğimizin datasheet’inde NOCT 48˚C olarak paylaşılmış. Hatırlayalım, NOCT altında ortam sıcaklık değeri 20˚C idi. Yani ortam sıcaklığı ile hücre sıcaklığı arasında 28˚C’lik bir fark bulunuyor. Burdan güneş panelimizi 50˚C’lik bir hava sıcaklığında çalıştırırsak hücre sıcaklığımız yaklaşık 78˚C civarında olacaktır sonucunu çıkarabiliriz. Ve güneş panelimizi 50˚C’lik bir hava sıcaklığında çalıştırdığımızda:
78˚C - 25˚C (STC) = 53˚C X -0.07992 V = -4.23 V voltaj kaybımız olur. Yani STC altında datasheet’de paylaşılan 18.3 VDC lik Vmp değeri 14.07 VDC’ye (18.3-4.23=14.07) düşer. Peki bu hesapladığımız voltaj kaybının akü şarj hızımıza nasıl bir etkisi olur ? İlk başta MPPT regülatöründen bahsetmiştik. Solar panel üzerinde sıcaklıktan dolayı kaybettiğimiz voltaj akü şarj regülatörü tarafında ne anlama geliyor sorusuna cevap vermeye çalışalım.
MPPT ve PWM Şarj Regülatörü
Yukarıda paylaşmış olduğumuz güneş paneli örneğimizi yine baz alalım. Bu kez voltaj kaybı üzerinden değil güç kaybı üzerinden hesap yapalım, ortam sıcaklığımız da 25 ˚C olsun.
140W X -0.36% = -0.504W her sıcaklık artışında kaybedeceğimiz güç olur. 25˚C ortam sıcaklığında ise hücre sıcaklığımız yaklaşık 53˚C olur. STC altında hücre sıcaklığı 25˚C idi, burdan:
53˚C - 25˚C = 28˚C X -0.504W = -14.112W güç kaybımız olacağı anlamına gelir.
Yani, 140W lık güneş panelimizden 25˚C hava sıcaklığında yaklaşık 126 Watt güç elde edebiliriz (140W-14.112W = 125.88W).
Tipik bir 12V kurşun asit akünün şarj voltajını 14V olarak düşünür isek;
125.88W / 14 VDC = 8.99A MPPT şarj regülatörümüz sağlayacağı şarj akımı olacaktır. Regülatörümüz PWM olsa idi, PWM sistemdeki maksimum akımı ileteceğinden, bu değer datasheet üzerinde yer alan Isc değerine eşit olacaktı. Yani 8.24A. Burdan şu sonucu da çıkabiliriz; ortam sıcaklığı arttıkça PV modüllerinde kullanılmayan güç azalacağından MPPT regülatörünün avantajı da azalacaktır.