Otomotiv fotovoltaik uygulamaları için sepıc batarya şarj cihazı tasarımı ve gerçekleştirilmesi

Kömür ve gaz gibi fosil yakıtlar hava, su ve doğayı kirletir. Dünya Vahşi Yaşam Fonu'na göre, fosil yakıtlardan elektrik üretmek ciddi asit yağmurlarına ve orman alanlarında hasara neden olmaktadır. Elektrik ihtiyacına olan talep her geçen gün artıyor. Aynı zamanda petrol, doğal gaz ve kömür gibi geleneksel kaynaklar için stoklar sınırlı ve azalmaktadır. Ayrıca önemli derecede fosil yakıt kaynağı olan ülkelerin sayısı sınırlı olup, bu da yüksek miktarda fosil yakıt ithalatlarına neden olmaktadır. Tüm bunlarla beraber bu kaynakların fiyatlarında sürekli bir artış söz konusudur. Dolayısıyla, elektrik enerjisi ile ilgili krizler tüm dünyada başlamıştır. İnsan, yaşamın devamlılığı için enerjinin tartışmaya açık olmayan anlamı nedeniyle yeni bir enerji kaynağı aramaktadır. Güneş enerjisi yenilenebilir, kullanımı güvenli ve daha az kirleticidir. İşte bu yüzden güneş enerjisi fosil yakıtlara iyi bir alternatiftir. Amerika Birleşik Devletleri Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı'na göre, dünyadaki tüm insanların yıllık enerji ihtiyacı, bir saat içinde dünya tarafından alınan güneş ışığı ile karşılanabilecek seviyededir. Sonuç olarak, hükümetler, işletmeler, araştırmalar, bilim insanları ve toplumlar fotovoltaik sistemlerin maliyetine rağmen, yenilenebilir enerji kaynaklarından özellikle güneş enerjisinden yararlanılmasına daha fazla önem vermeye başlamışlardır. Aslında güneş enerjisinin kullanımı teknolojisi gün geçtikçe geliştirilmekte ve bu gelişme de toplam sistem maliyetinde bir azalmaya yol açmaktadır. Amerika Birleşik Devletleri'nde 2011 yılında yapılan bir araştırmada bir fotovoltaik sisteminin maliyetinin 20 yıl içinde 2011 yılındaki teknoloji ile bile kendini amorti edeceği gösterilmektedir. Katıhal aygıtı olması nedeniyle fotovoltaik hücreleri gürbüzdür, tasarımı kolaydır ve çok az bakım gerektirir. Ayrıca bir güneş fotovoltaik sisteminin boyutu ve üretim kapasitesi fotovoltaik modül sayısının bir fonksiyonudur. Bu nedenle, güneş teknolojisinin uygulamaları mikrovatlardan megavatlara kadar kolayca ölçeklendirilebilir. Üstelik fotovoltaik sistemler taşınabilirdir ve uzak alanlarda kullanılabilirler. Eğer yeterli güneş ışığı var ise fotovoltaik sistemler daha iyi bir ömür-maliyet ilişkisine sahiptir. Fotovoltaik sistemlerinin bilinen ilk uygulama örneklerinden biri binaların çatı üstülerinde kullanılmasıdır. Çatı üstü kullanılan fotovoltaik sistemler, binanın soğutulması veya ısıtılması için güç sağlamak ve fosil yakıt bağımlılığını önemli ölçüde hafifletmek için kullanılır. Zamanla fotovoltaik sistemlerinin teknolojisinin geliştirilmesi ile çorak arazilerde büyük güneş fotovoltaik sistemleri kurulmaya başlanmıştır. Fotovoltaik hücre, fotovoltaik teorisi gereğince güneş enerjisinden doğru akım (DA) üretir. Evde kullanmak için bir invertör ile alternatif akıma (AA) dönüştürülebilir ya da gerektiğinde kullanabilmek için doğrudan bir bataryada saklanabilir. Bir fotovoltaik sistemin çıkış karakteristikleri, fotovoltaik hücrenin doğası gereği güneş ışınlarının yoğunluğu ve sıcaklığı gibi atmosferik koşullara bağlıdır. Bu nedenle fotovoltaik hücrenin verimliliği, yüke doğrudan bağlı olduğu durumlarda düşüktür. Fotovoltaik modülün daha verimli kullanımı için fotovoltaik modül maksimum verim ile çalıştığı maksimum güç noktası etrafında kullanılmalıdır. Fotovoltaik modülü maksimum güç noktası etrafında çalıştırmak amacı ile maksimum güç noktası izleme ya da diğer bir deyişle maksimum güç noktası izleyicisi kullanılır. Maksimum güç noktası izleme, herhangi bir çevresel koşul altında fotovoltaik modülden maksimum gücü çeken bir DA/DA dönüştürücü ile gerçeklenir ve fotovoltaik modül ile yük arasında empedans uyumu sağlayarak güneşten aldığı enerjiyi maksimum verim ile yüke aktarır. Otomotiv endüstrisinde fotovoltaik modüllerin yaygın kullanımlarından biri çoğunlukla kamp yapmak için kullanılan güneş enerjili karavan araçlarıdır. Güneş enerjili karavanlarda en az bir adet 12V yaşam aküsü vardır, Genellikle yaşam aküleri kurşun asit teknolojisine sahiptir. Çünkü kurşun asit aküler daha ucuz, güvenilir, daha iyi bilinen ve piyasada kolayca bulunabilen akülerdir. 12V yaşam aküsü karavanlardaki lamba, tablet, telefon şarj cihazı gibi 12V ekipman ve cihazlar için kullanılır. Kullanılan yaşam aküsü sayısı, karavanda bulunan fotovoltaik modül ya da modüllerin ürettiği güce bağlıdır. Fotovoltaik modüller portatif olabildiği gibi karavanların üzerine monte de edilebilirler. Fotovoltaik modüller tarafından üretilen güç ile aküyü en verimli şekilde şarj etmek için DA/DA şarj cihazı kullanılır. Araştırmalara göre, bir güneş enerjili karavanlarda yedek güç kaynağı olarak kurulmuş bir fotovoltaik sistem 2-4 yıl içinde kendini amorti edebilmektedir. Bu tezde otomotiv fotovoltaik uygulamaları için bir SEPIC batarya şarj cihazı donanımı tasarlanmış, gerçekleştirilmiş ve test edilmiştir. Söz konusu SEPIC batarya şarj cihazı 12V ile 25V giriş gerilimi diğer bir deyişle 12V ile 25V fotovoltaik modül çıkış gerilimi aralığında, 12V'luk bir bataryayı 8A şarj akımı ile 14V'ta şarj edebilmektedir. Bu tez dahilinde tasarlanan ve gerçekleştirilen SEPIC batarya şarj cihazının pratik uygulaması ise 14V çıkış voltajında maksimum 8A şarj akımı ile 180W fotovoltaik modüle sahip güneş enerjili bir karavanın 12V/80Ah'lik yaşam aküsünü şarj etmektir. SEPIC batarya cihazının tasarımına başlanmadan önce fotovoltaik uygulamalarındaki maksimum güç noktası izleme, maksimum güç noktası izleme amacıyla kullanılan DA/DA çeviriler, SEPIC dönüştürücü tasarımı, ve fotovoltaik sistemler için SEPIC batarya şarj cihazı tasarımı hakkında kapsamlı bir literatür incelemesi yapılmıştır. Literatür taraması sonucunda, fotovoltaik sistemin verimliliğini arttırmak için ara bir DA/DA dönüştürücüye ihtiyaç olduğu ve SEPIC'in bu tezde amaçlanan uygulama için en uygun topoloji olduğu görülmüştür. İşte bu nedenle fotovoltaik uygulamalar için tasarlanıp, gerçekleştirlen şarj cihazı için SEPIC topolojisi seçilmiştir. Ardından SEPIC topolojisinin teorisi derinlemesine incelenmiştir. Tasarım hedefleri doğrultusunda ilgili teorik denklemler kullanılarak komponentlerin tüm gerekli parametreleri hesaplanıp anahtarlama frekansı belirlenmiştir. Sonuç olarak temel bir SEPIC şarj devresi tasarımı tamamlanmıştır. İdeal komponentler kullanılarak bir simülasyon devresi hazırlanmıştır. Fotovoltaik modül modeli yerine giriş güç kaynağı olarak ideal bir voltaj kaynağı ve batarya modeli yerine çıkış yükü olarak direnç kullanılarak LTspice devre simülatörü ile simülasyonlar yapılmıştır. Simülasyon sonuçları yorumlanmış ve simülasyon sonuçları teorik hesaplamalar ile karşılaştırılmıştır. Tasarım ideal komponentler ile doğruladıktan sonra, ideal komponentler yerine markette hazır olarak bulunan gerçek kompoentler ve SEPIC kontrolcüsü seçilmiştir. Spice modelleri eğer mevcutsa üreticilerinden alınmış, eğer mevcut değilse LTspice'de bir simülasyon devresi hazırlamak için uygun modeller geliştirilmiştir. Gerçek komponentlerin diğer bir deyişle ideal olmayan komponentlerin modelleri kullanılarak LTspice'da simülasyonların gerçeklenebileceği bir SEPIC devresi hazırlanmıştır. Fotovoltaik modül modeli yerine giriş güç kaynağı olarak ideal bir voltaj kaynağı ve batarya modeli yerine çıkış yükü olarak bir direnç kullanılarak simülasyonlar tekrar gerçekleştirilmiştir. Simülasyon sonuçları yorumlanmış ve ideal komponentler ile yapılan simülasyonların sonıuçları ve teorik hesaplamalar ile karşılaştırılmıştır. İdeal olmayan komponentler kullanılarak yapılan simülasyonlar ile SEPIC şarj cihazı tasarımı doğruladıktan sonra, LTspice'da sistemi simüle etme amacı ile ideal bir voltaj kaynağı yerine 180W'lık bir fotovoltaik modülü modeli geliştirilmiş ve çıkış yükü olarak bir direnç yerine 12V batarya modeli hazırlanmıştır. Fotovoltaik modül modeli ve batarya modeli ideal olmayan komponentlerle hazırlanan simülasyon devresine ideal voltaj kaynağı ve yük direnci çıkarılarak eklenmiş ve gerekli simülasyonlar yapılmıştır. Simülasyon sonuçları yorumlanmış, ayrıca diğer simülasyon sonuçları ve teorik hesaplamalar ile karşılaştırılmıştır. Teorik hesaplamalar doğrultusunda seçilen komponentlerin doğruluğu LTspice'da yapılan simülasyonlar ile doğrulandık sonra, SEPIC şarj cihazı için baskılı devre tasarımına başlanmıştır. Altium Designer 18 kullanılarak tüm gerekli komponentlerin oluşturulmasının ardından, SEPIC şarj cihazının şematiği ve baskılı devre kartı tasarlanmıştır. Daha sonra, tasarımın malzeme listesinde yer alan tüm komponentler distribütörler aracılığıyla sipariş edilmiş ve baskılı devre tasarımı üretime yollanmıştır. Çıplak baskılı devre tasarımı üretilip geldiğinde, gerekli tüm komponentler baskılı devre kartına lehimlenmiştir. Bu sayede tasarlanmış SEPIC şarj cihazının prototipi elde edilmiş ve prototip test için hazır hale getirilmiştir. SEPIC şarj cihazı tasarımını doğrulamak için gerekli tüm testler laboratuvar ve saha testleri olmak üzere iki farklı test ortamında yapılmıştır. Başlangıçta, testler giriş güç kaynağı olarak bir güç kaynağı ve çıkış yükü olarak bir direnç kullanılarak laboratuarda gerçekleştirilmiştir. Testler laboratuvarda iki ana aşamada yapılmıştır. Her iki fazda da, giriş kaynağı olarak bir güç kaynağı kullanılmıştır. İlk aşamada, batarya yerine bir direnç yük olarak kullanılmıştır. İkinci aşamada ise yük olarak 12V/9Ah'lik bir batarya kullanılmıştır. Son olarak da saha testleri giriş güç kaynağı olarak bir 130W'lık fotovoltaik modül ve yük olarak 12V/12Ah'lik bir batarya kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Sonuç olarak tasarım hedeflerine uygun bir şekilde çalışan bir SEPIC şarj cihazı tasarlanmış ve gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen SEPIC şarj cihazı ile 14.14V çıkış geriliminde 8.32A çıkış akımı, giriş gerilimi 12V ile 25V arasında değişirken elde edilmiştir. Gerçekleştirilen SEPIC şarj cihazı 12V giriş gerilimi için %87.6 verimlilik ile yani hedeflenen değerin üzerinde bir verim ile çalışmış ve giriş gerilimi artarken verimliliğin de arttığı gözlemlenmiştir. Örneğin 25V giriş gerilimi için %88.6 verimlilik sağlanmıştır. Ayrıca saha testlerinde tasarlanan ve gerçekleştirilen SEPIC şarj cihazının fotovoltaik modülden güç alarak bataryayı düzgün bir şekilde şarj ettiği de gözlemlenmiştir.