Çift katmanlı düşürücü tip DC-DC çevirici tabanlı yeni bir adaptif mppt algoritması geliştirilmesiyle enerji verimliliğinin arttırılması

Günümüzde fosil yakıtların yakın gelecekte tükenme beklentisi, insan sağlığına ve çevreye olan olumsuz etkisi, fosil yakıtlara olan bağımlılığın ülkelere siyasi ve ekonomik yönden risk oluşturması vb. sebeplerle yenilenebilir enerji kaynaklarının önemi her geçen gün artmaktadır. Gelecek on yılda otomobil teknolojisinde enerji kaynağı olarak fosil yakıtların yerini elektrik enerjisinin alacak olması bu önemi daha da arttırması beklenmektedir. Rüzgar, hidrolik, biyogaz, biyokütle, dalga enerjisi vb. yenilenebilir enerji türleri içerisinde; enerji sürekliliği, yüksek ve düşük güçlerde kurulabilirliği, montaj, işletme ve bakım kolaylığı, düşük maliyeti, çevresel etki vb. etkenler göz önüne alındığında güneş enerjisi öne çıkmaktadır. Güneş enerjisinde fotovoltaik (FV) sistemler, şebeke bağlantılı (on-grid) ve şebekeden bağımsız (off-grid) güneş enerjisi santrali (GES) uygulamaları olarak karşımıza çıkmaktadır. GES'lerde sistem bileşenlerini oluşturan güneş panelleri dışında invertörler, şarj regülatörleri gibi güç elektroniği ürünlerinde de kayıpları azaltan ve verimliliği artıran yöntemlere olan ihtiyaç devam etmektedir. Günümüzde ticari ve öz tüketime dayalı FV sistemlerinin yaygınlaşması ile birlikte enerji verimliliği konusu önem kazanmış ve Ar-Ge çalışmaları yoğunlaşmıştır. %0,1'lik bir verim artışı bile yatırımların yapılabilirliği açısından önemli görülmekte ve yüksek verimlilik ticari ürün seçiminde önemli bir tercih kriteri olmaktadır. GES yatırımlarının en önemli parçası güneş panelleridir. Hali hazırda uygulamada en çok kullanılan FV paneller silisyum tabanlı olup verimlilikleri ortalama %20'dir. Bu değer, güneş enerjisinde kat edilecek daha çok mesafenin bulunduğunu göstermektedir. Yüksek verimli FV panellerin geliştirilmesi için yeni teknolojilere ve araştırmalara ihtiyaç duyulmaktadır. FV panellerde verimliliğinin arttırılması, daha az alan, daha az taşıyıcı mekanik aksam, daha az kablo kullanımı ve daha yüksek enerji verimliliği demektir. Günümüzde çoğunlukla silisyum tabanlı (monokristal, polikristal) ve kimyasal alaşımlı ince film FV paneller üretilmektedir. Yaygın olarak kullanılan ince film paneller, amorf-silisyum (a-Si), kadmiyum-tellur (CdTe) ve bakır indiyum galyum selenid (CIS/CIGS)'dir. Silisyum tabanlı panel çeşitleri ise monokristal ve polikristaldir. İnce film FV panellerin modül verimliliği %7-11 iken, silisyum panellerin modül verimliliği %15-23'tür. Silisyum panellerin verimliliğinin ince film panellere göre daha iyi olması ve yatırım maliyetinin daha ekonomik olması sebebiyle, piyasada ağırlıklı olarak silisyum paneller kullanılmaktadır. Güneş panelleri, üzerine düşen ışımaya ve sıcaklığa bağlı olarak değişken güç üretmektedir. Solar ışımaya (radyasyon) bağlı panel akım ve gerilim değerleri, doğru orantılı olarak artış ya da azalış gösterir. Sabit solar ışıma ortamında, sıcaklıkla ters orantılı olarak panel gerilimi keskin olarak ve panel akımı ise çok az azalarak panelden elde edilen güç değeri azalmaktadır. Işıma ve sıcaklık etkisiyle değişebilen anlık güçten maksimum düzeyde yararlanmak için, maksimum güç noktasını izlemek ve bu noktada maksimum gücü yüke aktarmak gerekmektedir. Maksimum güç noktasını izleme tekniğine Maximum Power Point Tracking-MPPT (maksimum güç noktasını izleme) denir. Güneş enerjisi uygulamalarında FV panellerden elde edilen enerjinin en az kayıpla yüke aktarılması ve yüksek enerji verimliliğinin sağlanması en önemli kriterlerdir. MPPT denetimi için donanım olarak genellikle geleneksel buck, boost veya buck-boost kombinasyonlarından oluşan DC-DC çevirici devreleri kullanılmaktadır. Ancak geleneksel devrelerde; yüksek kapasiteli kondansatör kullanımı, yüksek akımlı anahtarlama elemanlarının kullanımı gerekmekte olup devre çıkış gerilimi ve akımının dalgalılık oranının yüksekliği, bunların çıkış kondansatörleri üzerindeki komponent ömrünü etkileyen fiziksel baskı, yük tarafında parazit oluşumu, bunun akülerin yaşam süresine kısaltıcı etkisi ve enerji kayıpları gibi çeşitli dezavantajlar söz konusudur. Bu olumsuz etkileri büyük ölçüde ortadan kaldırmak için çift katmanlı interleaved buck çevirici devresi kullanılmasına karar verilmiş ve donanım açısından en az enerji kaybıyla en yüksek enerji verimliliğinin sağlanması esas alınmıştır. Yüksek sistem verimliliğin sağlanması için çevirici sürme tekniği olarak geleneksel, modifiye ve/veya adaptif geleneksel, yapay zeka ve biyolojik yapılı metotlara sahip MPPT algoritmaları kullanılmaktadır. MPPT denetimi için geleneksel metotlar haricinde yapay zeka uygulamalarından bulanık mantık ve yapay sinir ağı, biyolojik yapı metotlarından parçacık sürü optimizasyonu, karınca kolonisi, guguk kuşu vb. algoritmalar geliştirilmiştir. Kullanılan bu MPPT algoritmalarında, temelde FV panelin akım ve gerilim verilerinden oluşan giriş parametrelerinden birisi veya ikisi kullanılmakla birlikte başka veri giriş parametreleri de kullanılmakta olup maksimum güç hesabı ve takibi yapılmaktadır. Ancak bu MPPT algoritmalarının dezavantajı; geleneksel MPPT metotlarına göre orta ve yüksek seviye donanımlara gereksinim duyulmakta olup donanım maliyetleri yüksektir, sistem bağımlı olup FV panel gücü, sayısı, dizi sayısı, dizi açık devre gerilimi gibi çeşitli giriş parametrelerine ihtiyaç bulunmakta ve dolayısıyla teknik yönden düşük seviyeye sahip kullanıcılar için kullanım zorluğu bulunmaktadır. Adaptif olmayan geleneksel MPPT algoritmalarının en önemli dezavantajı, ani hava değişimi anından maksimum güç noktasının (MPP'nin) yakalandığı ana kadar yüksek enerji kayıpları oluşturmasıdır. Bu çalışma kapsamında, söz konusu enerji kaybını en az düzeye indirmek için adaptif özellikte olmayan geleneksel Saptır&Gözle (Perturb&Observe-P&O) MPPT Algoritması'na ortamın aydınlık düzeyi verisi (lx, lux) üçüncü bir giriş parametresi olarak eklenerek, hızlı solar radyasyonu değişiminde MPP'yi hızlı yakalayan yeni bir adaptif MPPT algoritması geliştirilmiş ve geliştirilen yeni algoritmaya "Hızlandırılmış P&O MPPT Algoritması" adı verilmiştir. Yeni algoritmanın bir başka en önemli özelliği, FV panel gücü, sayısı, gerilimi, FV dizi sayısı gibi harici veri girişlerine ihtiyaç duymayan, sistemden tamamen bağımsız bir algoritmadır. Ayrıca yeni algoritma için bilgisayarlar gibi yüksek hıza ve hafızaya sahip pahalı devre bileşenlerine de ihtiyaç duyulmamaktadır. Hızlandırılmış P&O MPPT Algoritması'nda MPP yakalama hızı, yüksek radyasyon değişiminde yüksek ve düşük radyasyon değişiminde düşüktür. Bu nedenle, yüksek radyasyon değişiminde, yeni algoritma daha az döngü sayısı ile MPP'ye ulaşarak daha yüksek enerji verimliliği sağlar. Ani hava değişimi anındaki PWM sinyalinin doluluk değeri ile MPP'ye ulaşacağı hedef PWM sinyalinin doluluk değeri arasındaki fark ne kadar büyükse, enerji kazanç değeri de o kadar yüksektir. Matlab/Simulink'te ve deneysel düzenekte uygulamalı olarak, farklı solar radyasyon simülasyonlarında, geleneksel ve çift katmanlı düşürücü tip DC-DC çevirici devre tabanlarında adaptif ve geleneksel P&O MPPT algoritmaları ile sağlanan sistem enerji verimlilikleri ayrıntılı olarak analiz edilmiştir. Çalışma sonucunda; "Hızlandırılmış P&O MPPT Algoritması" ile ani hava değişimlerinde maksimum güç noktasına daha hızlı ulaşıldığı ve güç kaybı en aza indirilerek yüksek enerji verimliliğinin sağlandığı tespit edilmiştir.