Fotovoltaik panellere yönelik konvertörler

Son yıllarda “yeşil enerjiye” olan ilginin arttığına tanık olduk. Rahat bir şekilde bulunabilen kaynaklardan enerji elde etmeyi mümkün kılan sayısız uygulama sunuldu; fotovoltaik panel tesisatları bunlar arasında en popüler olandır. Fiyatları o kadar ekonomik hale gelmiştir ki çoğu kez küçük yazlık evlere bile monte edilmektedirler. Bu tür sistemleri yaparken enerji kaynağının (fotovoltaik panel veya türbin) kendine özgü doğasını anlamak önemlidir. Bu tür kaynaklardan beslenen cihazları üreten firmaların karşılaştıkları zorlukların da akılda bulundurulması gerekir.

Enerji kaynağı olarak kullanılan fotovoltaik paneller, panelden elde edilen elektrik akımının gücü düşen ışığın şiddetine bağlı olduğundan çok değişkendir. İlaveten yük akımı da önemli bir faktör olarak kalmaktadır. Bu enerji kaynağının kullanıcıları çoğu kez sabit aydınlatma veya sabit yük elde edememektedir. Paneller genellikle tek bir noktaya sabitlenmekte ve nadiren güneşi takip eden döner desteklere yerleştirilmektedir. Bunun sonucunda güneş ışığı panelin üzerine farklı açılarda düşmektedir. Ek olarak güneşin bulutlarla engellenmesi de söz konusudur. Yük sabit değildir ancak genellikle kullanıcıların ihtiyaçlarına göre değişmektedir. Bunun gibi durumlarda panel terminalleri üzerindeki gerilim de önemli değişikliklere maruz kalmaktadır.

Güç şebekesi kullanıcıları, şebeke dalgalanmalarından endişe etmek istemedikleri için çoğunlukla stabil gerilim beklerler. Örneğin şebeke gerilimi 12 V DC ise değişikliklerin en fazla nominal değerin %2-3’ü olacak şekilde tercihen küçük olması beklenmektedir. Daha önce değindiğimiz üzere rahat bir şekilde bulunabilen enerji kaynakları nadiren bu güç besleme şartlarını sağlayabilmektedirler. Bu nedenle bu kaynaklarla kullanıcı arasında aracı olarak uygun bir şekilde yapılmış gerilim konvertörleri kullanılır.

Hedef uygulamaya bağlı olarak güç beslemesine yönelik “standart” DC/DC konvertörlerin aksine yenilenebilir enerji kaynaklarıyla çalışan konvertörler, kaynağın “kaprisleri” ile başa çıkacak doğru parametreleri sunmak durumundadır. Geniş bir giriş gerilimi aralığı, uygun giriş direnci ve giriş ile çıkış arasında genellikle en az birkaç yüz volt olan yüksek yalıtım gerilimi bunların en önemli olanlarıdır.

“Yeşil enerji” talebi bu enerjinin elde edilmesine yönelik olarak tasarlanan cihaz ve ürünlerin pek çok rakip firma tarafından üretilmesine yol açmıştır. Ortalama bir panel kullanıcısı, genellikle panellere takılan hazır tak-çalıştır modüllere ilgi gösterirken diğer taraftan elektronik mühendisleri, kullanıcının kendi cihazlarına entegre edilmek için tasarlanmış konvertör modülleri arıyor olabilirler. Hedef uygulamalar arasında aydınlatmalı trafik işaretleri, izleme cihazları veya IoT ağlarında çalışan sistemler yer alabilir. Bu tür uygulamalara yönelik ürünler arasında Kanadalı firma Aimtec tarafından üretilenler, tüm dünyada mühendislerce takdir edildiğinden bahsedilmeye değer.

Aimtec, LED güç kaynakları da dahil olmak üzere modüler AC/DC ve DC/DC güç sistemleri geliştiren ve üreten küresel bir firmadır. Merkezi Montreal’da bulunan firmanın Avrupa ve Asya’da pek çok ofisi vardır. Aimtec ürünleri genellikle eşsiz özellikleri ve kalite/fiyat oranı nedeniyle değer görmektedir.

Fotovoltaik panellere yönelik konvertörler

Aimtec üretimi fotovoltaik panel konvertörleri, 5V ila 48V DC ile beslenen DC cihaz üreticilerinin özellikle ilgisini çekecektir. Elbette bu gerilimle, başka bir konvertörün 230V AC elde edeceği bir bataryayı şarj etmek de mümkündür ancak bu, güç kaynağında önemli verimlilik kaybı pahasına olabilecektir.

Fotovoltaik panel ve rüzgâr gücü jeneratörlerinin terminallerindeki gerilim benzer parametrelere sahip olduğundan firma, ürün serisinin her iki tip enerji kaynağıyla da kullanılmasını önermektedir. Bu AM5W…AM200W ailesidir; “AM” önekini takip eden rakamlar kullanılabilir maksimum sürekli çıkış gücünü göstermektedir. Ardından üreticinin adlandırmasına göre nominal giriş gerilimi, çıkış gerilimi ve gövde tipi belirtilmektedir. Bu nedenle örneğin AM15W-60015S-NZ simgesi; gücü 15W, çıkış gerilimi 15V DC, nominal giriş gerilimi maksimum 600V DC olan, PCB’ye lehimlenmek üzere tasarlanmış bir gövdede yer alan konvertörü ifade etmektedir. Bu gövde tipine ek olarak vidalı terminalli, harici sigorta ve EMC filtreli (-ST), sigorta ve EMC filtreli TH/TS35 veri yoluna monte edilmek için (-STD, -STS) veya sigortasız (-STF) modüller de mevcuttur. Daha fazla bilgi için lütfen üreticinin veya distribütörün (TME) web sitesinde mevcut veri sayfalarına bakın.

OEM kullanıcıları arasında en popüler olanlar PCB’ye lehimlenmek üzere tasarlanmış, 70mm×48mm×23,5mm gövdede, 5W ila 40W konvertörlerdir. Bu ürün ailesiyle sunulan konvertörlerin gövdelerinin aynı boyutta olması ve çıkış düzeni açısından uyumlu olmaları ve böylece baskı devre kartını değiştirmeden güç besleme işlevinin kolayca genişletilebilmesi çok önemlidir. 45W ve 200W’lık daha yüksek güç konvertörleri açık çerçeveli bir gövdeye sahip ve ilgili devrelere vidalı terminaller ile bağlanmakta olup bu özelliği tesisatçılar ve servis teknisyenleri tarafından kesinlikle takdir edilecektir. Daha önce belirtildiği üzere düşük güç konvertörlerinin PCB’ye monte edilebilen, sigortalı, EMC filtreli ve vidalı terminalli modellerinin olduğundan da bahsetmek gerekir.

Nominal giriş gerilimi cihazın tipine bağlıdır, 200V ile 1500V DC arasında değişir ve 10:1 olduğundan aralığı çok geniştir. Çıkış gerilimi sabittir ve üretim aşamasında üretici firma tarafından belirlenir. En geniş model seçeneği, 40W’a kadar güç sunan konvertör serisinde mevcuttur. Bunlar arasında çıkış gerilimi 5, 9, 12, 15 veya 24 V DC olan konvertörler bulunmaktadır. 45W konvertör iki adet 15V çıkış sunarken 200W konvertör 24V DC ve 48V DC sağlamaktadır. Konvertörlerin tamamı -40°C ila +70°C ortam sıcaklığında performansta hiçbir düşüş olmadan kullanılabilmektedir. En yüksek enerji verimliliği yaklaşık %80 olup düşük güç kayıpları sağlamakta ve cebri soğutmaya ihtiyaç duymamaktadır.

Bu ürünlerin tamamı fotovoltaik panellerle çalışan cihazlara yönelik güvenlik standartlarının sıkı şartlarını karşılamaktadır. Avrupa standartlarına göre CSA (CSA-C22.2 No.107.1-01), UL (1741) ve CE işaretine sahiptirler (ayrıntılı liste her bir konvertörün veri sayfasında mevcuttur). Standart koruma seçenekleri arasında çıkışta kısa devre ve aşırı gerilime, aşırı ısınmaya, besleme geriliminde ters kutba karşı korumalar bulunmaktadır.

Konvertör çalışmaya başlamak için minimum yük gerektirmez ve yüksüz durumda konvertörün çalışmaya başlaması 1 saniyeden daha kısa sürede gerçekleşir. Giriş ve çıkış arasındaki tipik yalıtım gerilimi çoğu konvertörde 4 kV’tur.

Bu serideki konvertörlerin temel parametreleri Tablo 1’de verilmiştir. Ayrıntılı parametre açıklamaları için lütfen katalog veri sayfalarına bakın.

Tablo 1. Fotovoltaik paneller ve türbinlere yönelik Aimtec konvertörlerin temel parametreleri

1) CSP – Sürekli Kısa Devre Koruması

2) OCP – Aşırı Akım Koruması

3) OVP – Aşırı Gerilim Koruması

4) RPP – Ters Kutup Koruması