Electrical sizing of grid-connected photovoltaic systems

Yıl 2024, Cilt: 30 Sayı: 4, 451 - 462, 30.08.2024

Ahmet Ilıca , Muhammed Serdar

Öz

It is of great importance to choose low-cost, high-performance/efficient and operating and protection equipment in accordance with the applicable legislation in electrical facilities. It is necessary to make calculations for the selection of the most suitable cable/line, measuring and protection system equipment. In this study, panel-inverter compatibility calculation, voltage drop, current control, short circuit, lightning risk and protection calculations, grounding resistance and grounding conductor calculations and tilt angle calculation were made for a grid connected photovoltaic system with a power of 0.4 MWe. It has been calculated that the allowable voltage range and maximum powerpoint voltage values of the selected inverter are compatible with the panel system. With voltage drop and current control calculations, copper cable cross section for each inverter output and solar board output were found to be 3x70+35 mm2 and 2(3x185+95) mm2, respectively, and transformer low voltage busbar 60x10 mm2. In order not to deform the low voltage busbars in peak short-circuit current, they should be placed at 10 cm intervals for 80 cm length. According to the transformer low voltage side phase-earth short circuit current, the cross-section of the grounding conductor should be at least 53.97 mm2 copper conductor. In the lightning protection facility of the panels, according to the rolling sphere method, it has been calculated that the air termination rods should be at least 0.84 m above the upper point of the solar panel. The optimum fixed panel tilt angle was found to be 32.08°. The calculations used in the study will benefit the practitioners in the design of grid-connected photovoltaic systems, in the selection of the most suitable electrical equipment with minimum size.

Anahtar Kelimeler

Grid connected photovoltaic system, Voltage drop, Short circuit calculation, Lightning protection, Tilt angle

Şebekeye bağlı fotovoltaik sistemlerin elektriksel boyutlandırılması

Öz

Elektrik tesislerinde düşük maliyetli, yüksek performanslı/verimli ve ilgili mevzuata uygun işletme ve koruma ekipmanlarının seçilmesi büyük önem taşımaktadır. En uygun kablo/hat, ölçüm ve koruma sistemi ekipmanlarının seçimi için hesaplamalar yapılması gerekmektedir. Bu çalışmada, şebeke bağlantılı 0.4 MWe gücünde bir fotovoltaik sistem için panel-evirici uyumluluk hesabı, gerilim düşümü, akım kontrolü, kısa devre, yıldırım risk ve koruma hesapları, topraklama direnci ve topraklama iletkeni hesapları ve panel eğim açısı hesabı yapılmıştır. Seçilen eviricinin izin verilen voltaj aralığı ve maksimum güç noktası gerilim değerlerinin panel sistemi ile uyumlu olduğu hesaplanmıştır. Gerilim düşümü ve akım kontrol hesapları ile her evirici çıkışı ve güneş sistemi panosu çıkışı için bakır kablo kesiti sırasıyla 3x70+35 mm2 ve 2(3x185+95) mm2, trafo alçak gerilim barası 60x10 mm2 olarak bulunmuştur. Alçak gerilim baralarının tepe kısa devre akımında deforme olmaması için 80 cm boy için 10 cm aralıklarla yerleştirilmelidir. Trafo alçak gerilim tarafı faz-toprak kısa devre akımına göre topraklama iletkeninin kesiti en az 53.97 mm2 bakır iletken olmalıdır. Panellerin yıldırımdan korunma tesisinde yuvarlanan küre yöntemine göre, hava yakalama uçlarının güneş panelinin üst noktasından en az 0.84 m yukarıda olması gerektiği hesaplanmıştır. Optimum sabit panel eğim açısı 32.08° bulunmuştur. Çalışmada kullanılan hesaplamalar, şebeke bağlantılı fotovoltaik sistemlerin tasarımında, minimum boyutta en uygun elektriksel donanımın seçiminde uygulayıcılara fayda sağlayacaktır.

Anahtar Kelimeler

Şebekeye bağlı fotovoltaik sistem, Gerilim düşümü, Kısa devre hesabı, Yıldırımdan koruma, Eğim açısı

Kaynakça

• [1] Islam S, Woyte A, Belmans R, Nijs J. “Undersizing inverters for grid connection-what is the optimum?”. Proceedings of the 18th Symposium Photovoltaic Solar-Energy, Bad Staffelstein, Germany, 12-14 March 2003.
• [2] Rauf A, Al-Awami AT, Kassas M, Khalid M. “Optimal sizing and cost minimization of solar photovoltaic power system considering economical perspectives and net metering schemes”. Electronics, 10(21), 1-18, 2021.
• [3] Ürün E, Soyu E. “Türkiye’nin enerji üretiminde yenilenebilir enerji kaynakları üzerine bir değerlendirme”. Dumlupınar Üniversitesi Sosyal Bilimler Dergisi, ICEBSS Özel Sayısı, 31-45, 2016.
• [4] Luque A. “Photovoltaic market and costs forecast based on a demand elasticity model”. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 9(4), 303-312, 2001.
• [5] Moussa I, Khedher A, Bouallegue A. “Design of a low-cost PV emulator applied for PVECS”. Electronics, 8(2), 1-15, 2019.
• [6] Arici N, İskender A. “Fotovoltaik güneş santrallerinde şebeke bağlantı sorunları ve çözümleri”. Politeknik Dergisi, 23(1), 215-222, 2020.
• [7] Malamaki KD, Demoulias CS, Member S. “Analytical calculation of the electrical energy losses on fixed-mounted PV plants”. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 5(4), 1080-1089, 2014.
• [8] Bayram M. Fotovoltaik Güç Sistemlerinde Maksimum Güç Noktasının Gerçek Zamanlı Olarak Izlenmesi. Yüksek Lisans Tezi, Bursa Teknik Üniversitesi, Bursa, Türkiye, 2019.
• [9] Duman S. Şebeke Bağlantısız Güneş ve Rüzgar Enerji Sistemlerinin Yönetimi, Kontrolü ve Izlenmesi için Yeni Yaklaşımlar. Doktora Tezi, Kocaeli Üniversitesi, Kocaeli, Türkiye, 2015.
• [10] Cramer G, Ibrahim M, Kleinkauf W. “PV system technologies-state of the art and trends in decentralised electrification”. Refocus, 5(1), 38-42, 2004.
• [11] Ekici S, Kopru MA. “Investigation of PV system cable losses”. International Journal of Renewable Energy Research, 7(2), 807-815, 2017.
• [12] Mosheer AD, Gan CK. “Optimal solar cable selection for photovoltaic systems”. Journal of Renewable Energy Resources, 5(2), 28-37, 2015.
• [13] Kaşıkçı İ. Elektrik Mühendisliği Elektrik Enerjisinin Üretimi İletimi Dağıtımı. 1. Baskı. İstanbul, Türkiye, Birsen, 2013.
• [14] Datsios ZG, Mikropoulos PN. “Safe grounding system design for a photovoltaic power station”. In 8th Mediterranean Conference on Power Generation, Transmission, Distribution and Energy Conversion, Cagliari, Italy, 1-3 October 2012.
• [15] Nassereddine M, Ali K, Nohra C. “Photovoltaic solar farm: earthing system design for cost reduction and system compliance”. International Journal of Electrical and Computer Engineering, 10(3), 2884-2893, 2020.
• [16] Zhang Y, Li B, Du Y, Ding Y, Cao J, Lv J. “Effective grounding of the photovoltaic power plant protected by lightning rods”. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 63(4), 1128-1136, 2021.
• [17] Damianaki K, Christodoulou CA, Kokalis CA, Kyritsis A, Ellinas ED, Vita V, Gonos, IF. “Lightning protection of photovoltaic systems: computation of the developed potentials”. Applied Sciences, 11(1), 1-12, 2021.
• [18] Kalenderli Ö. “Yıldırımdan korunma”. EMO İzmir Şubesi Haber Bülteni, 249, 14-16, 2011.
• [19] Charalambous CA, Kokkinos ND, Christofides N. “External lightning protection and grounding in large-scale photovoltaic applications”. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 56(2), 427-434, 2013.
• [20] Kareem MSA, Saravanan M. “A new method for accurate estimation of PV module parameters and extraction of maximum power point under varying environmental conditions”. Turkish Journal of Electrical Engineering and Computer Sciences, 24(4), 2028-2041, 2016.
• [21] Setiawan EA, Setiawan A, Siregar D. “Analysis on solar panel performance and pv-inverter configuration for tropical region”. Journal of Thermal Engineering, 3(3), 1259-1270, 2017.
• [22] Güven Ş. “Investigation of the effect of photovoltaic panel surface temperature on output power and efficıency in Denizli”. Engineer and Machinery, 63(707), 429-442, 2022.
• [23] Luoma J, Kleissl J, Murray K. “Optimal inverter sizing considering cloud enhancement”. Solar Energy, 86(1), 421-429, 2012.
• [24] Ramli MAM, Hiendro A, Sedraoui K, Twaha S. “Optimal sizing of grid-connected photovoltaic energy system in Saudi Arabia”. Renewable Energy, 75, 489-495, 2015.
• [25] Kil AJ, Van der Weiden TCJ. “Performance of modular grid connected PV systems with undersized inverters in Portugal and the Netherlands”. IEEE 1st World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, Hawaii, USA, 05-09 December 1994.
• [26] Burger B, Rüther R. “Inverter sizing of grid-connected photovoltaic systems in the light of local solar resource distribution characteristics and temperature”. Solar Energy, 80(1), 32-45, 2006.
• [27] Mondol JD, Yohanis YG, Norton B. “Optimal sizing of array and inverter for grid-connected photovoltaic systems”. Solar Energy, 80(12), 1517-1539, 2006.
• [28] Macêdo WN, Zilles R. “Operational results of grid‐connected photovoltaic system with different inverter’s sizing factors (ISF)”. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 15(4), 337-352, 2007.
• [29] Liu Y, Yu R, Zhang L, Jiang D, Chen N, Zhao D. “Research on short-circuit currents calculation method considering dynamic reactive power support of renewable energy systems”. 2nd IEEE Conference on Energy Internet and Energy System Integration, Beijing, China 20-22 October 2018.
• [30] İnan A, Tercan SM, Kara H. Orta Gerilim Transformatör Merkezlerinin Projelendirilmesi. 1. Baskı. İstanbul, Türkiye, Birsen, 2012.
• [31] Yücel ME. Endüstriyel Elektrik. 1. Baskı. Ankara, Türkiye, Grafiker, 2002.
• [32] İriz T. “Akım transformatörlerinde kısa süreli termik anma akımının hesaplanması”. EMO İzmir Şubesi Haber Bülteni, 209, 11-12, 2007.
• [33] Kaşıkçı İ. Elektrik Tesisleri Temel El Kitabı. 1. Baskı. Istanbul, Türkiye, Birsen, 2008.
• [34] Pamuk N. “Sakarya ili Sapanca ilçesinin Adapazarı ve Kırkpınar trafo merkezlerinden beslenmesi durumundaki kısa devre güçlerinin karşılaştırılması ve uygun koruma elemanlarının belirlenmesi”. Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 27(1), 48-61, 2011.
• [35] Szulborski M, Lapczynski S, Kolimas L, Kozarek L, Rasolomampionona DD. “Calculations of electrodynamic forces in three-phase asymmetric busbar system with the use of FEM”. Energies, 13(20), 1-26, 2020.
• [36] Kasikci I. Short Circuits in Power Systems: A Practical Guide to IEC 60909-0. 2nd Ed. Wiley, 2018.
• [37] Kaşıkçı İ. Elektrik Tesisleri Güvenlik Koruma ve Uygulama Esasları. 1. Baskı. İstanbul, Türkiye, Birsen, 2018.
• [38] Furse. “A Guide to BS EN 62305 Protection Against Lightning”. https://www.jac.ie/wp-content/upload/pdf /Guide to BS 62305 3rd edition.pdf (19. 04. 2022).
• [39] Orak V. İstanbul Üniversitesi Avcılar Yerleşkesi Yıldırım Risk Analizi. Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Üniversitesi, İstanbul, Türkiye, 2018.
• [40] Ürgüplü Z. Elektrobank, Elektroteknik Bilgi Bankası. 2. Baskı. Ankara, Türkiye, Bizim Büro, 2008.
• [41] Ayub AS, Siew WH, Mohamed FP. “Grounding strategies for solar PV panels”. IEEE Asia-Pacific Symposium on Electromagnetic Compatibility. Suntec City, Singapore, 14-18 May 2018.
• [42] Kalenderli Ö. "Yıldırımdan Korunma". https://www. yilkomer.com/wpcontent/uploads/2016/02/yildırımdan korunma-standartı.pdf (20. 04. 2022).
• [43] Stefanescu S, Botezan A. “Overview of the protection lightning standards suite EN/IEC 62305”. International Conference and Exposition on Electrical and Power Engineering, Iasi, Romania, 20-22 October 2016.
• [44] Schaerer R, Lewis D. “Large utility-scale photovoltaic solar power plant grounding system safety design- general practices and guidance”. IEEE Power & Energy Society General Meeting, Denver, USA 26-30 July 2015.
• [45] Megep. “Topraklama projeleri”. https://megep.meb.gov.tr /mte_program_modul/moduller_pdf/Topraklama%20Projeleri.pdf (15.03.2022).
• [46] MENR. “Elektrik tesislerinde topraklamalar yönetmeliği”. https://www.mevzuat.gov.tr/mevzuat?MevzuatNo=10392&MevzuatTur=7&MevzuatTertip=5 (03.06.2022).
• [47] Kaşıkçı İ. AG Elektrik Tesislerinde Topraklama ve Ölçme. 1. Baskı. İstanbul, Türkiye, Birsen, 2010.
• [48] Bakirci K. “General models for optimum tilt angles of solar panels: Turkey case study”. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16(8), 6149-6159, 2012.
• [49] Boztepe M. İzmir (Bornova) Koşullarında Şebekeye Bağlı Fotovoltaik Bir Sistemin Tasarlanıp Denenmesi. Doktora Tezi, Ege Üniversitesi, İzmir, Türkiye, 2002.
• [50] Gazioğlu Ç. “Güneş enerji sistemlerinde solar invertör seçimi(EMO Ankara Şubesi webinar)”. https://www.you-tube.com/watch?v=EfBxIZLut4s (15. 10. 2022).
• [51] Panelmaster. “B Serisi Bakır Bara Düzenekleri Uygulama Kılavuzu”. https://tw.eae-et.com.tr/TW/ MDokDb.nsf/xv DokTur.xsp?categoryFilter=Katalog%5CPanelMaster%5CT%C3%BCm%20%C3%9Cr%C3%BCn%20Gruplar%C4%B1 (10. 06. 2022).
• [52] Heskablo. “Enerji kabloları ürün kataloğu”. https://www.hes.com.tr/urun-kataloglari (10.05. 2022).
• [53] Aydöner D. Binaya Entegre Fotovoltaik Sistem Tasarımı ve Kurulumu. Yüksek Lisans Tezi, Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Kocaeli, Türkiye, 2010.
• [54] Öncin F. Çatı Tipi Güneş Enerji Santralleri ve Dağıtım Tesislerine Bağlantı Kriterleri. Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Ankara, Türkiye, 2018.
• [55] Büyükdora H. “Ölçü Trafoları”. https://www.emo.org.tr/ ekler/90efb66c5016fa8_ek.pdf (25.07.2022).
• [56] Karaca S. “Akım Trafosu”. https://elektroloji.com/ koruma-sistemleri/akim-trafosu.html (16. 03. 2022).
• [57] Kaşıkçı I. Elektrik Tesislerinde Kısa Devre Hesapları ve Uygulamaları. 1. Baskı. İstanbul, Türkiye, Birsen, 2007.
• [58] Ozcan M. “Increasing voluntary carbon credits potential via renewable energy projects in Turkey”. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 28(5), 710-719, 2022.
• [59] Karafil A, Ozbay H, Kesler M, Parmaksiz H. “Calculation of optimum fixed tilt angle of PV panels depending on solar angles and comparison of the results with experimental study conducted in summer in Bilecik, Turkey”. In 2015 9th International Conference on Electrical and Electronics Engineering, Bursa, Turkey 26-28 November 2015.
• [60] Buzra U, Mitrushi D, Serdari E, Halili D, Muda V. “Fixed and adjusted optimal tilt angle of solar panels in three cities in Albania”. Journal of Energy Systems, 6(2), 153-164, 2022.
• [61] Arslan M, Cunkas M. “A Study on Optimum Tilt Angle of PV Panels for Konya, Turkey”. 57th International Scientific Conference on Information, Communication and Energy Systems and Technologies, Ohrid, North Macedonia, 16-18 June 2022.
• [62] Sumair M, Aized T, Mahmood M, Bhutta A, Shoaib M. “Computing optimum solar tilt angles for photovoltaic applications through python code simulation”. Environmental Progress & Sustainable Energy, 42(5), 1-15, 2023.