Rüzgar- güneş hibrid güç sistem beslemeli bir mekanın aydınlık düzeyinin led’li armatürler kullanılarak kontrolü


Thesis Type: Doctorate

Institution Of The Thesis: Marmara Üniversitesi, Turkey

Approval Date: 2010

Thesis Language: Turkish

Student: İsmail Kıyak

Co-Consultant: VEDAT TOPUZ, BÜLENT ORAL

Abstract:

RÜZGAR-GÜNEŞ HİBRİD GÜÇ SİSTEM BESLEMELİ BİR MEKANIN AYDINLIK DÜZEYİNİN LED’Lİ ARMATÜRLER KULLANILARAK KONTROLÜ Enerjinin yeterli, zamanında, ekonomik, güvenilir ve temiz olarak sağlanması günümüzde ülkelerin gelişmişlik düzeylerini belirleyen en önemli göstergelerden biridir. Enerjide güvenirliğin sağlanabilmesi, kullanılan fosil kaynakların yanı sıra yenilenebilir enerji kaynaklarının da enerji üretiminde kullanılmasını zorunlu kılar. Enerji kaynaklarının daha fazla kullanılması verimliliğinin artırılmasına yönelik çalışmalara önem kazanmaktadır. Bu kapsamda düşük enerji tüketimleri, ışık akısı verimlilikleri ve uzun süre aynı ışık akısı değerlerini koruyabilme özelliği ile LED’li armatürler öne çıkmaktadır. Bu çalışmada, mikro enerji üretim sistemlerinde yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanım bilincinin yaygınlaştırılması amaçlanmış ve gerçek zamanlı rüzgâr-güneş hibrid güç sistem uygulaması gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, çok düşük enerji kullanım özelliğinden dolayı LED teknolojisinin, yenilenebilir enerji kaynaklı üretim sistemlerine dahil edilmesine yönelik bir uygulama gerçekleştirilmiştir. Tez kapsamında, Marmara Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi binasının çatısına paralel kanatlı tip rüzgâr türbini(500 W) ve fotovoltaik pil grubundan(500 W) oluşan rüzgâr-güneş hibrid güç sistemi kurulmuştur. Üretilen enerji, 400 Ah kapasiteli bakımsız tip jel akü grubunda depolanmıştır. Rüzgâr türbinin ve fotovoltaik pillerin ürettiği enerjinin izlenmesi ve üretim durumlarının yorumlanması için bir enerji üretim ölçüm sistemi kurulmuş ve üretim verileri beş dakika aralıklı olarak veri kaydedicilerde depolanmıştır. Projenin gerçekleştirildiği bölge ile ilgili meteorolojik verilerin ve bölgenin enerji üretim potansiyelinin bilinmesi amacıyla hibrid güç sisteminin yanına meteoroloji istasyonu kurulmuştur. Hibrid üretim sistemi için büyük önem arz eden rüzgâr hızı ve güneşlenme oranı verilerinin yanı sıra bölgeye ait onaltı çeşit meteorolojik veri, beş dakika aralıklı olarak kaydedicide depolanmıştır. Alınan meteorolojik veriler, elektrik üretimi için gerekli olan bölgeye ait rüzgâr ve güneş enerjisi potansiyelinin belirlenmesi için kayıt altına alınmıştır. Yapılan araştırmalara göre, beş dakika potansiyel belirlemede optimum zaman aralığıdır. Kayıt altına alınan veriler, grafikler halinde çizilmiş ve sonuçları yorumlanmıştır. Akıllı aydınlatma sisteminin DC enerjisi, güç sisteminin depolama birimi akü grubundan sağlanmış olup, aydınlatma bölümü şebekeden bağımsız çalıştırılmıştır. Akü grubunun aşırı şarj-deşarj durumundan korunması ve aydınlatma sisteminin aşırı gerilim ve akımlara karşı korunması için aydınlatma güç sistemi kontrol kartı tasarlanmıştır. Aydınlatma sisteminde, LED’li armatürlerin direkt kullanabildiği DC besleme yapılmıştır. Bu kullanım ile aydınlatma sistemi enerji kayıplarını minimuma indirilmiş ve sistem maliyetinin düşmesine yardımcı olunmuştur. Akıllı aydınlatma sistemi için, LED modüllerin tetikleme, dimleme ve çalışma sırasında oluşan ısının kontrol altına alınması, belirli açılarda yönlendirilmiş LED modüllerin daha iyi aydınlatma koşullarını sağlaması ve LED’lerin ışık verimliliği ve ömürlerine ilişkin katalog değerlerinin sağlanması amacı ile LED’li armatürler tasarlanmıştır. Armatür tasarımında, farklı açılarda yönlendirilmiş reflektörlü Power LED modüller, aktif ve pasif soğutucular, sıcaklık sensörleri ve soğutma yardımcılı alüminyum alaşım gövde kullanılmıştır. Power LED’lerin ideal çalışma şartlarının sağlanması ve besleme için armatüre özel LED sürücü kartları tasarlanmıştır. Tasarlanan LED’li armatürde, soğutma kanallı alüminyum alaşım gövdeye LED modül ve kendi ölçülerinde pasif soğutma elamanı akuple edilmiştir. Armatürün en iç kısmında bulunan LED’e sıcaklık sensörü bağlanmış ve belirlenen sıcaklığın üstündeki değerlerde aktif soğutucuların devreye girerek LED modülleri soğutması gerçekleştirilmiştir. Laboratuar aydınlatma sisteminde kullanılan LED armatürler, hareket detektörleri, ışık sensörlerine ait her türlü bilgi alışverişi için bir haberleşme kartı tasarlanmış ve RS485 haberleşme hattı kullanılarak bütün sistem birbirine bağlanmıştır. Laboratuarda deney masaları ve anlatımda kullanılan orta masa aydınlatması için bulanık uzman sistem akıllı aydınlatma programı tasarlamıştır. Akıllı sistem LED’li armatürler kullanımı ile elde edilen enerji tasarrufu bir tablo halinde sunulmuştur. Proje ile tasarımı ve kontrolü itibariyle dahili ortamlarda kullanılabilecek bir aydınlatma sistemi gerçekleştirilmiştir. Özel durumlara yönelik aydınlatma sistemlerinde kullanılan LED’li armatürlerin, dahili aydınlatmada kullanımına ilişkin kaynak niteliğinde bir çalışma gerçekleştirilmiştir. ABSTRACT CONTROL OF ILLUMINATION LEVEL OF AN AREA SUPPLIED WIND-SOLAR HYBRID POWER SYSTEM BY USING LED ARMATURES For countries, sufficient, reliable, clean and economic energy supply is one of as the most important indicators of their development level. Energy continuity necessitates the usage of renewable energy sources besides existing fossil sources. Nowadays, studies about extensive usage of renewable energy sources and to increase its energy usage efficiency is very important. In this scope, LED applications come into prominence with their low energy consumption, light flux efficiency and for keeping life time light flux density. In this study, generalization of renewable energy sources, usage in micro energy production systems is realized with wind-solar hybrid power system supporting each other. Also, an application for integration of LED technology to energy production system with renewable energy sources is implemented due to its low energy consumption. Wind-Solar hybrid power system that contains a 500W parallel bladed type wind turbine is the most appropriate type for local usage according to literature. 500W photovoltaic cell is also installed on roof of Technical Education Faculty building of Marmara University for this study. To monitor the generated energy from wind turbine and photovoltaic cells an energy metering system is implemented and production data is recorded with five minutes intervals. Weather station is installed near to the hybrid power system to measure the meteorological data of the area. Sixteen meteorological data including wind speed and sun time that is very important for hybrid production system is stored at recorder at five minute intervals. Measured meteorological data is stored to determine wind and solar energy potential of area that required for electrical energy production. According to literature search, five minute is optimum time interval for determination of potential. This recorded data is plotted graphically and is interpreted. DC energy of intelligent lighting system is supplied from storage unit of power system and the lighting part is a stand-alone system. A control card is designed to protect battery pack against excessive charge-discharge current and to protect lighting system against excessive voltage and current. The LED armature in lighting system can be supply directly from the DC system. Energy losses of the lighting system are reduced to a minimum. This helped to reduce system costs. New LED armatures are designed for the proposed intelligent lighting system. Directed Reflector Power LEDs with different angels, active and passive coolers, heat sensors and an aluminum alloy body is used in the new armature design. Special LED driver cards are designed to provide ideal operation conditions of Power LEDs and energy supply. Cooling is very important for LED containing in systems. Due to it affects on life and light flux value of LED armatures directly. The LED module and passive cooler element are coupled to the aluminum alloy body with cooling canals in designed LED armature. A heat sensor is connected to the LED module that is the innermost point of armature and cooling module of LED system. The cooling is implemented by active cooler that operates at higher values of the preset temperature. A communication card is designed for all data collection activities. The lighting system contains a number of LED armatures, motion detectors, and light sensors. A RS485 communication line is installed and connects all equipment with each other. A Fuzzy expert system is designed for intelligent lighting system. The lighting system contains laboratory experiment tables and the lighting of middle table which is used for laboratory demonstration. The energy savings with the proposed intelligent LED lighting system is given in table form. An intelligent lighting system is implemented for indoor use. This study can be reference for using LED armatures that are used for special lighting at indoor lighting.