Mikro şebekeye bağlı fotovoltaik panelden beslenen lityum batarya sisteminin farklı yük durumlarına göre enerji yönetimi

Elektrik enerjisinin büyük bir çoğunluğu başından beri fosil yakıtlardan elde edilmektedir. Bugün, enerji stratejik bir değer olup ülkelerin kalkınma düzeyi için gösterge haline gelmiştir. Ancak, fosil yakıtların sebep olduğu kirlilik problemi ve fosil yakıtlarla ilişkili olan karbon emisyon miktarı tehlikeli bir düzeye ulaşmış ve dünya dengesine zarar vermektedir. Bu durum hükümetleri yenilenebilir enerji kaynakları bulmaya zorlamıştır. Karbon emisyonlarını azaltma hedefine ulaşmak için, gelecekteki elektrik üretimi, fosil yakıtlara olan bağımlılığın azalması, yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımının artması ve çevre için daha büyük bir ilgi ile ilerleyecektir. Şu anda fosil yakıtlara alternatif kaynaklar olarak sunulan yenilenebilir enerji kaynakları popülerlik kazanmıştır. Bununla birlikte, dünya enerjisinin büyük bir kısmı hala fosil yakıtlardan tedarik edilmektedir. Yenilenebilir enerji kaynaklarından en çok kullanılan sistemler güneş ve rüzgardan türetilmiş sistemlerdir. Bu yenilenebilir enerji kaynakları çevre dostu ve sürdürülebilir bir yapıya sahip olduğu için kullanım oranları giderek artmaktadır. Öte yandan, çevre dostu ve kullanışlı olmalarına rağmen, doğaya bağlı bir özellikleri de vardır. Örneğin yenilenebilir enerji kaynaklarının birçoğu doğası gereği sürekli değildir. Bu da şebeke dengesi, güvenilirliği, enerji üretimi ve yük dengesi bakımından zorluk oluşturmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının elektrik sistemlerine eklenmesiyle ilgili en önemli sorunlardan biri, bu kaynaklardan üretilen enerjinin iklim koşullarına bağlı olarak genellikle değişken olmasıdır. Güneş çok iyi parladığında, güneş enerjisinden elektrik üretilebilir. Enerji üretim değerleri, iklim koşullarına (güneş parlaklığı) göre sürekli değişmektedir. Güneş en parlak olduğunda, fotovoltaik sistemler elektrik enerjisini istikrarlı bir şekilde üretirken, elektrik üretimi bulutlu durumda azalır ve sonunda elektrik üretimi akşamları durur. Rüzgar enerjisi sistemlerinden üretilen elektrik ise, rüzgarın hızı gibi çevresel koşullara bağlıdır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının istikrarsız ve aralıklı olma niteliği, enerji üretiminin sürekliliği için önemli sorunlara yol açmaktadır. Bu nedenle yenilenebilir enerji kaynaklarından üretilen enerji, genel enerji talebi ile senkronize değildir. Bu nedenle, kullanıcılar enerji talebinde bulunmadıklarında ve yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen pik enerji miktarının büyük olması durumunda enerji depolama sistemleri gerekli hale gelir. Yenilenebilir enerji kaynağı söz konusu olduğunda, hidroelektrik enerji kaynakları önce gelir. Bununla birlikte, hidroelektrik santraller sadece doğal ortamlarında bulundukları yerlere uygulanabilir. Son yıllarda rüzgar ve güneş enerjisi gibi önemli yenilenebilir enerji kaynakları ile ilgili çalışmalar hızlanmıştır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının süreksiz güç özellikleri, elektrik sağlama sistemi için çeşitli kalite ve güvenilirlik problemlerini ortaya çıkarmaktadır. Bu sorunların üstesinden gelmek ve yenilenebilir enerji kaynaklarından yararlanma oranını arttırmak amacıyla öncelikle enerji depolama çözümleri devreye girmiştir. Enerji depolama teknolojileri enerji kaynaklarını temsil etmese de, istikrarı, güç kalitesini ve arz güvenilirliğini geliştirmek için değerli faydalar sağlar. Pratik elektrikli araçların ve uygulamalarının zorluklarını karşılamak için batarya teknolojileri önemli ölçüde geliştirilmiştir. Şebeke, öngörülemeyen günlük ve mevsimsel değişimlerle talebi karşılamak için iletim ve dağıtımda büyük zorluklarla karşı karşıyadır. Elektrik enerjisi depolaması, kullanılan teknolojiye göre belirli bir formda depolandığı ve gerektiğinde elektrik enerjisine dönüştürülen bir mekanizma olarak tanımlanabilir. Çeşitli enerji depolama şekilleri vardır. Özellikle bataryalar, teknolojinin gelişmesiyle birlikte depolama birimi olarak vazgeçilmezler arasındadır. Enerji talebi ile enerji üretimi arasındaki farkın artması sebebiyle kaliteli güç üreten merkezi elektrik santrallerinin enerji depolama teknolojilerinin kullanımını gerekli kılmıştır. Bu tezde, önce enerji depolama teknikleri tanıtılmıştır. Bu kapsamda, batarya, sıkıştırılmış su depolama, basınçlı hava enerji depolama, volan enerji depolama, süper iletken manyetik enerji depolama ve süper kapasite enerji depolama gibi önemli enerji depolama yöntemlerine yer verilmiştir. Mevcut enerji depolama teknikleri kullanılarak güneş ve rüzgâr enerjisi sistemleriyle hibrid depolama sistemleri oluşturulabilir. Günümüzde güç sistemleri, yük merkezlerine daha yakın yerel sistemlere odaklanmaktadır. Enerji depolama sistemleri çoğunlukla üç amaç için kullanılır; enerji dengesi, yük talebini karşılayacak kapasite ve güç dağılımı. Enerji dengesi, yükün sık sık değişmesine rağmen, dağıtık üretimin enerji depolama sistemleri yardımıyla sabit bir çıkışta çalışmasına izin verir. Dağıtık üretim birimi yük değişikliklerine hızlı bir şekilde cevap veremediğinden, güç kalitesi sorunları daha da artmaktadır. Enerji depolama birimi yüke paralel olarak bağlanırsa, enerji depolama birimi, enerji ihtiyacında ani bir değişiklik için bu ihtiyacı karşılayabilir. İhtiyaç düşük olduğunda, dağıtılan üretim birimi tarafından yüklenebilir ve böylece dağıtılan üretim sürekli olarak hizmet verir. Bu tezde, yenilenebilir enerji kaynağı olan fotovoltaik sistemin performansının artırılması amacıyla etkin bir enerji depolama yöntemi olan batarya sistemi kullanılmıştır. Batarya sisteminin karşılaştırmalı durum analizi için farklı amaçlara göre sınıflandırılmış farklı enerji depolama sistemleri de incelenmiştir. Tezin giriş bölümünde genel olarak Türkiye'deki enerji sistemi incelenmiş ve bunu akıllı şebeke sistemine giriş takip etmiştir. Fosil yakıtlar ve yenilenebilir enerji sistemleri karşılaştırmalı olarak anlatılmış ve bu enerji sistemlerinin avantaj ve dezavantajları irdelenmiştir. Akıllı şebekelerle yenilenebilir enerji kaynaklarıyla beslenen enerji depolama birimlerinin entegrasyonu tanımlanarak detaylı olarak incelenmiştir. Bu kapsamda, güneş enerjisinin tarihçesi, güneşten nasıl enerji elde edildiği ve Türkiye'deki güneş enerjisi potansiyeli anlatılmıştır. Tezin asıl amacı olan mikroşebekede, güneş paneli ve enerji depolama birimi olan batarya ile matlab simulink ortamında modelleme gerçekleştirilmiştir. Değişik yüklerde şebeke bağlantılı ve ada modlu şebeke tasarımı yapılmıştır. Bataryanın şarj, deşarj durumları, güneş panelin farklı periyotlardaki durumu ile birlikte güç ve gerilim düşümü benzetim (simülsayon) sonuçları yorumlanmıştır. Sonuç olarak şebekenin çalışma sistemi matlab simulink programı kullanılarak senaryolaştırılmış ve sonuçlar sayısal uygulama bölümünde irdelenmiştir.