Dinamik ve statik yük altındaki PEM yakıt pillerinde PSO tabanlı PI ve FOPI performansların karşılaştırılması

Yakıt pilleri temiz, çevreyi kirleten atık madde ürünleri çıkarmayan yüksek verime sahip enerji teknolojisidir. Sıklıkla yakıt olarak Hidrojen'in kullanıldığı yakıt pillerinin çeşitli türleri geliştirilmektedir. Bunlardan bir tanesi Proton değişim membranlı yakıt hücreleri (PEMFC - Proton Exchange Membrane Fuel Cells) olup, tespit edilen önemli özellikleri; kompakt ve hafif oluşu, düşük sıcaklıklarda yüksek çıkış güç yoğunluğu, düşük çevresel etkisi ve iyi bir başlama/kapama performansının olmasıdır. Ancak standardın altında görülen performans, sabit tutulamayan (kontrolsüz) gerilim ve yakıt tüketimindeki yüksek oran gibi sorunlar PEMFC'lerin ticari uygulamalarda yaygın olarak kullanılmasını engelleyen parametrelerdir. Dolayısıyla PEMFC'lerde uygun bir kontrol tasarımının gerektiği görülmektedir. Bu motivasyonla bu tez çalışmasında, dinamik ve sabit yük olmak üzere iki farklı PEMFC tasarımı kapsamında yer alan DC-DC dönüştürücülerde geleneksel PI / PSO tabanlı PI / PSO tabanlı FOPI kontrolörleri kullanılarak sistem performansının iyileştirilmesi amaçlanmıştır. Hem dinamik ve hem de statik yük altında çalışan PEMFC sisteminde 6 kW'lık yakıt pili kullanılmış ve Hidrojen tüketimi [L/dak] ile birlikte oksijen hava akışı [m3/s] sistemin giriş parametreleri olarak alınmıştır. Dinamik yük altında bulunan PEMFC modelinin performansını iyileştirmek amacıyla geleneksel PI ve PSO tabanlı PI olmak üzere 2 farklı uygulama gerçeklenmiştir. PSO uygulamasında parçacık sayısı 50 alınmış ve sonuçlar 10 kez tekrar edilerek elde edilmiştir. Buna göre; en düşük maliyete sahip uygulamada elde edilen optimum değerlerin Kp=0.0084 ve Ki=0.5 olduğu tespit edilmiştir. Varyans ve standart sapma değerlerine bakıldığında, en düşük salınımın Kp=0.00815 ve Ki=0.4623 değerleri ile elde edildiği görülmüştür ve PSO yöntemiyle belirlenen optimum değerlerin, referans değişime göre daha kararlı olduğu gözlemlenmiştir. Statik yük altında bulunan PEMFC modelinin performansını iyileştirmek amacıyla geleneksel PI, PSO tabanlı PI ve PSO tabanlı FOPI olmak üzere 3 farklı uygulama gerçeklenmiştir. Yöntemlere ilişkin performansların karşılaştırılmasında; en büyük aşım, yükselme süresi ve yerleşme süresi ölçüt olarak alınmıştır. Geleneksel PI modelinde, ampirik yaklaşımla PI değerleri Kp=0.001 ve Ki=0.15 olarak elde edilmiştir. PSO tabanlı PI modelinde ise katsayılar (Kp=0.2042, Ki=1) olarak belirlenmiştir. PSO için farklı parçacık sayıları ile model denenmiş ve en iyi sonucun 20 parçacıkla elde edildiği tespit edilmiştir. Son olarak PSO tabanlı FOPI uygulamasında ise PIλ kontrolör katsayıları (Kp=0.7753, Ki=0.3650 ve λ=0.2050) olarak belirlenmiştir. Bulgulara göre, önerilen PSO tabanlı PI ve PSO tabanlı FOPI yaklaşımları ile elde edilen performans, geleneksel PI yaklaşımı ile elde edilen performanstan daha iyi olduğu gözlemlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Hidrojen enerjisi, PEM yakıt pili, Dinamik/Statik yük; PSO, PI kontrolör, FOPI