1. Giriş Güneş enerjisi; çevreci, uzun ömürlü ve sınırsız oluşu gibi iyi nedenlerden dolayı son yıllarda oldukça fazla ilgi gören yenilenebilir bir kaynaktır. Güneşten elektrik üretirken enerji verimini yüksek tutabilmek, son derece önemlidir. Bu da güneş panellerinin güneşi, hem mekanik hem de elektriksel olarak takip etmesiyle mümkündür. Elektriksel takip yapabilmek için birçok maksimum güç noktası izleme yöntemi geliştirilmiştir [1]. 2. Maksimum Güç Noktası İzleme Yöntemleri Güneş panellerinden elektrik üretimini doğrudan etkileyen en önemli üç etken güneş ışınımı, ortam sıcaklığı ve panel gerilimidir. Eğer güneş panelinden yüke transfer edilen güç optimum değilse fotovoltaik panelden elde edilen güç verimsiz demektir [1]. Bu verimi artırmak MGNİ yöntemleri ile mümkündür. Ancak kullanıcılar genelde hangi maksimum güç noktası izleme yöntemini kullanmaları gerektiğini bilmemektedir. Bu bölümde literatürde yer alan MGNİ yöntemlerinden en sık karşılaşılanlar incelenmiştir. A. Sabit Gerilim Yöntemi En basit maksimum güç noktası izleme yöntemidir. Bu yöntemde panel gerilimi, belirlenen referans gerilim değerine, doluluk boşluk oranı ayarı ile eşitlenerek maksimum güç noktası takibi yapılır [2]. Şekil 1de sabit gerilim yöntemine ait akış diyagramı verilmiştir.
Şekil 1. Sabit gerilim yöntemi akış diyagramı
B. Değiştir Gözle Yöntemi (D&G)
Bu yöntemde öncelikle güneş panelinin gerilim ve akım değerleri ölçülerek ilk durumdaki panel gücü (P1) hesaplanır. İkinci adımda gerilimdeki veya doluluk boşluk oranındaki (D) ufak değişimler göz önüne alınarak yeniden bir güç (P2) hesabı yapılır. P1 ve P2 kıyaslandığında eğer P2, P1den daha büyük ise güç eğrisi üzerindeki hareket P2 yönünde devam eder. Eğer tersi bir durum söz konusu ise güç eğrisi üzerindeki hareket de ters yönde olacaktır. Bu sayede panelin maksimum güç noktası (PMPP) bulunur ve dolayısıyla bu noktaya karşılık gelen gerilim değeri de (VMPP) bulunabilir.
D&G yöntemi, hızla değişen atmosferik koşullarda, örneğin parçalı bulutlu havalarda, bazı sapmalar gösterebilir. Bunun sebebi güç eğrisindeki ani değişimlerde yöntemin hareket yönünü bir önceki durum için seçmiş olması ve eğri değiştikçe seçilen yönün geçerliliğini yitirmesidir [2].
Şekil 2. Değiştir gözle yöntemi akış diyagramı C. Artan İletkenlik Yöntemi Bir fotovoltaik sistem için çıkış gücünün gerilime göre türevi aşağıdaki şekilde ifade edilebilir.
Maksimum güç noktasında gücün gerilime göre türevinin sıfıra eşit olduğu bilgisinden hareketle (1) denkleminin çözümü yapılırsa, maksimum güç noktasında sıfıra eşit olacağı, pozitif değerlerde maksimum güç noktasının solunda ve negatif değerlerde maksimum güç noktasının sağında yer alacağı söylenebilir. Şekil 3te artan iletkenlik yöntemine ait akış diyagramı verilmiştir. Bu yöntemde maksimum güç noktası, gerilim ve akım değerlerinin bir önceki gerilim ve akım değerleri ile karşılaştırılmasıyla bulunur [2].
Şekil 3. Artan iletkenlik yöntemi akış diyagramı D. Açık devre Gerilimi Yöntemi Açık devre gerilimi yöntemi en kolay yöntemlerden biridir. Bu yöntemde değişik çevre koşulları altında, açık devre gerilimi (Voc) ile maksimum güç noktası gerilimi (VMPP) arasındaki ilişkiye bakılır.
Bu eşitlikteki K değeri, güneş panelinin karakteristiğine göre değişen sabit bir değerdir. Bu sabit, değişik çevre koşulları altında VMPP ve Voc ölçümlerine dayalı olarak elde edilir. K sabiti için en uygun değeri seçmek oldukça zordur. Ancak yapılan çalışmalarda bu sabit için polikristal güneş panellerinde 0.73 ile 0.80 arasında bir değer aldığı bildirilmiştir [3]. Bu yöntemin en büyük dezavantajı, açık devre gerilimi örnekleri alınan test hücresinin devre dışı kalması sonucunda elektrik üretememesi ve buna bağlı olarak güç kaybının yaşanmasıdır.
Şekil 4. Açık devre gerilimi yöntemi akış diyagramı E. Kısa Devre Akımı Yöntemi Kısa devre akımı yöntemi ile açık devre gerilimi yöntemi birbirleriyle benzer yöntemlerdir. Bu yöntemde, güneş panelinin kısa devre akımı ile maksimum güç noktası akımı arasında lineer bir ilişki vardır. Bu ilişki şu şekilde ifade edilebilir;
Kısa devre akımı yöntemi, açık devre gerilimi yöntemine göre daha doğru ve etkili olsa da, kısa devre akımının ölçülmesinden dolayı uygulama maliyetleri açık devre gerilimine göre yüksektir [3]. Kısa devre akımı yönteminin en önemli dezavantajı kısa devre akımı ölçülürken yükün enerjiden kesilmesidir. Bu yönteme ait akış diyagramı Şekil 5te verilmiştir.
Şekil 5. Kısa devre akımı yöntemi akış diyagramı. F. Hafıza Tablosu Yöntemi Bu yöntemde ihtimal dahilindeki değişik çevre koşulları için fotovoltaik panelin maksimum güç noktaları belirlenir ve maksimum güç noktaları, kontrol sisteminde yer alan hafıza aygıtına yüklenir. Çalışma sırasında sistemde var olan sensörler vasıtasıyla uygun maksimum güç noktası belirlenir ve uygulamaya konur [4]. G. Tek Çevrim Kontrol Yöntemi Tek çevrim kontrol yöntemi, bir nonlineer maksimum güç noktası izleyici yöntemidir. Bu yöntem, maksimum güç elde edebilmek için fotovoltaik panel gerilimine göre çıkış akımı ayarlanabilen bir tek seviyeli evirici kullanımı içermektedir. Tek çevrim kontrol yönteminin kusursuz çalışabilmesi için L ve C parametrelerinin optimum hesaplanması gerekir. Tek çevrim kontrol sistemi Şekil 6da gösterilmektedir [4].
Şekil 6. Tek çevrim kontrol yöntemi. H. Farklılaşma Yöntemi Bu yöntemde maksimum güç noktası, aşağıdaki bağıntının çözümü ile elde edilir.
Bu yöntemin kusursuz çalışabilmesi için gerçek zamanlı olarak bu denklemin hızlı bir şekilde çözülmesi gerekir. Ancak bu oldukça zordur. Çünkü akım ve gerilime ait en az sekiz hesaplama ve ölçüm yapmak gerekir. Bunlardan bazıları; bir dt süresi için dv, dI, I*dV/dt, V*dI/dt ve I*dV/dt+V*dI/dt hesaplamalarıdır. Daha hızlı bir maksimum güç noktası izleyici elde edebilmek için bu yöntem, güçlü ve pahalı donanımlara ihtiyaç duymaktadır [4].
3. MGNİ Yöntemlerinin Teorik Olarak Karşılaştırılması
Anlatılan yöntemlerin her biri kendi başına maksimum güce ulaşmada etkilidir. Ancak yöntemlerin bazısı çok kolay topolojilere sahipken bazıları oldukça karmaşıktır. Yine bazı yöntemler tek başına akım veya gerilim bilgisi ile hareket ederken bazıları her ikisine birden ihtiyaç duymaktadır.
Sabit gerilim, açık devre gerilimi, kısa devre akımı, tek çevrim kontrol ve hafıza tablosu yöntemleri hem basit topolojik yapıları ile hem de düşük maliyetleri ile dikkat çekmektedir. Değiştir gözle, artan iletkenlik ve farklılaşma yöntemleri ise pahalı maliyetleri, karmaşık yapıları ve gerilim veya akım parametreleri ile kontrol edilebilmeleri yönüyle diğerlerinden ayrılmıştır [5].
4. Sonuçlar
Güneş enerjisinden maksimum oranda faydalanmak için çok sayıda maksimum güç noktası izleme yöntemi geliştirilmiştir. Bu çalışmada birçok maksimum güç noktası izleme yöntemi incelenmiş, yöntemlere ait akış diyagramları verilmiş ve yöntemlerin birbirlerine olan üstünlükleri teorik karşılaştırma bölümünde incelenmiştir. Bütün yöntemler maksimum noktayı yakalama konusunda başarılıdır. Ancak karmaşıklık, maliyet ve uygulama zorluğu seçilecek yöntemi belirlemede etkili olmaktadır.
Kaynaklar
[1] Başoğlu M. E., Güneş enerjisi sistemlerinde kullanılan maksimum güç izleyicili yükseltici DA-DA dönüştürücü analizi ve gerçekleştirilmesi, Yüksek Lisans Tezi, Kocaeli Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Kocaeli, 2013, 323167.
[2] Dolara A., Faranda R., Leva S., Energy Comparison of Seven MPPT Techniques for pv systems, Journal of Electromagnetic Analysis & Applications, 2009, 3, 152-162.
[3] Esram T., Chapman P. L., Comparison of photovoltaic array maximum power point tracking techniques, Energy Conversion, 2007, 22, 439-449.
[4] Ali A. N. A., Saied M. H., Mostafa M. Z., Moneim T. M. A., A survey of maximum power point tracking of photovoltaic systems, Energytech, 2012, DOI:10.1109/Energytech.2012.6304652.
[5] Subudhi B., Pradhan R., A comparative study on maximum power point tracking techniques for photovoltaic power systems, Sustainable Energy, 2013, 4, 89-98.
Yunus Emre KESKİN
Bekir ÇAKIR
Elektrik Mühendisliği Bölümü Kocaeli Üniversitesi
Şekil 1. Sabit gerilim yöntemi akış diyagramı
B. Değiştir Gözle Yöntemi (D&G)
Bu yöntemde öncelikle güneş panelinin gerilim ve akım değerleri ölçülerek ilk durumdaki panel gücü (P1) hesaplanır. İkinci adımda gerilimdeki veya doluluk boşluk oranındaki (D) ufak değişimler göz önüne alınarak yeniden bir güç (P2) hesabı yapılır. P1 ve P2 kıyaslandığında eğer P2, P1den daha büyük ise güç eğrisi üzerindeki hareket P2 yönünde devam eder. Eğer tersi bir durum söz konusu ise güç eğrisi üzerindeki hareket de ters yönde olacaktır. Bu sayede panelin maksimum güç noktası (PMPP) bulunur ve dolayısıyla bu noktaya karşılık gelen gerilim değeri de (VMPP) bulunabilir.
D&G yöntemi, hızla değişen atmosferik koşullarda, örneğin parçalı bulutlu havalarda, bazı sapmalar gösterebilir. Bunun sebebi güç eğrisindeki ani değişimlerde yöntemin hareket yönünü bir önceki durum için seçmiş olması ve eğri değiştikçe seçilen yönün geçerliliğini yitirmesidir [2].
Şekil 2. Değiştir gözle yöntemi akış diyagramı C. Artan İletkenlik Yöntemi Bir fotovoltaik sistem için çıkış gücünün gerilime göre türevi aşağıdaki şekilde ifade edilebilir.
Maksimum güç noktasında gücün gerilime göre türevinin sıfıra eşit olduğu bilgisinden hareketle (1) denkleminin çözümü yapılırsa, maksimum güç noktasında sıfıra eşit olacağı, pozitif değerlerde maksimum güç noktasının solunda ve negatif değerlerde maksimum güç noktasının sağında yer alacağı söylenebilir. Şekil 3te artan iletkenlik yöntemine ait akış diyagramı verilmiştir. Bu yöntemde maksimum güç noktası, gerilim ve akım değerlerinin bir önceki gerilim ve akım değerleri ile karşılaştırılmasıyla bulunur [2].
Şekil 3. Artan iletkenlik yöntemi akış diyagramı D. Açık devre Gerilimi Yöntemi Açık devre gerilimi yöntemi en kolay yöntemlerden biridir. Bu yöntemde değişik çevre koşulları altında, açık devre gerilimi (Voc) ile maksimum güç noktası gerilimi (VMPP) arasındaki ilişkiye bakılır.
Bu eşitlikteki K değeri, güneş panelinin karakteristiğine göre değişen sabit bir değerdir. Bu sabit, değişik çevre koşulları altında VMPP ve Voc ölçümlerine dayalı olarak elde edilir. K sabiti için en uygun değeri seçmek oldukça zordur. Ancak yapılan çalışmalarda bu sabit için polikristal güneş panellerinde 0.73 ile 0.80 arasında bir değer aldığı bildirilmiştir [3]. Bu yöntemin en büyük dezavantajı, açık devre gerilimi örnekleri alınan test hücresinin devre dışı kalması sonucunda elektrik üretememesi ve buna bağlı olarak güç kaybının yaşanmasıdır.
Şekil 4. Açık devre gerilimi yöntemi akış diyagramı E. Kısa Devre Akımı Yöntemi Kısa devre akımı yöntemi ile açık devre gerilimi yöntemi birbirleriyle benzer yöntemlerdir. Bu yöntemde, güneş panelinin kısa devre akımı ile maksimum güç noktası akımı arasında lineer bir ilişki vardır. Bu ilişki şu şekilde ifade edilebilir;
Kısa devre akımı yöntemi, açık devre gerilimi yöntemine göre daha doğru ve etkili olsa da, kısa devre akımının ölçülmesinden dolayı uygulama maliyetleri açık devre gerilimine göre yüksektir [3]. Kısa devre akımı yönteminin en önemli dezavantajı kısa devre akımı ölçülürken yükün enerjiden kesilmesidir. Bu yönteme ait akış diyagramı Şekil 5te verilmiştir.
Şekil 5. Kısa devre akımı yöntemi akış diyagramı. F. Hafıza Tablosu Yöntemi Bu yöntemde ihtimal dahilindeki değişik çevre koşulları için fotovoltaik panelin maksimum güç noktaları belirlenir ve maksimum güç noktaları, kontrol sisteminde yer alan hafıza aygıtına yüklenir. Çalışma sırasında sistemde var olan sensörler vasıtasıyla uygun maksimum güç noktası belirlenir ve uygulamaya konur [4]. G. Tek Çevrim Kontrol Yöntemi Tek çevrim kontrol yöntemi, bir nonlineer maksimum güç noktası izleyici yöntemidir. Bu yöntem, maksimum güç elde edebilmek için fotovoltaik panel gerilimine göre çıkış akımı ayarlanabilen bir tek seviyeli evirici kullanımı içermektedir. Tek çevrim kontrol yönteminin kusursuz çalışabilmesi için L ve C parametrelerinin optimum hesaplanması gerekir. Tek çevrim kontrol sistemi Şekil 6da gösterilmektedir [4].
Şekil 6. Tek çevrim kontrol yöntemi. H. Farklılaşma Yöntemi Bu yöntemde maksimum güç noktası, aşağıdaki bağıntının çözümü ile elde edilir.
Bu yöntemin kusursuz çalışabilmesi için gerçek zamanlı olarak bu denklemin hızlı bir şekilde çözülmesi gerekir. Ancak bu oldukça zordur. Çünkü akım ve gerilime ait en az sekiz hesaplama ve ölçüm yapmak gerekir. Bunlardan bazıları; bir dt süresi için dv, dI, I*dV/dt, V*dI/dt ve I*dV/dt+V*dI/dt hesaplamalarıdır. Daha hızlı bir maksimum güç noktası izleyici elde edebilmek için bu yöntem, güçlü ve pahalı donanımlara ihtiyaç duymaktadır [4].
3. MGNİ Yöntemlerinin Teorik Olarak Karşılaştırılması
Anlatılan yöntemlerin her biri kendi başına maksimum güce ulaşmada etkilidir. Ancak yöntemlerin bazısı çok kolay topolojilere sahipken bazıları oldukça karmaşıktır. Yine bazı yöntemler tek başına akım veya gerilim bilgisi ile hareket ederken bazıları her ikisine birden ihtiyaç duymaktadır.
Sabit gerilim, açık devre gerilimi, kısa devre akımı, tek çevrim kontrol ve hafıza tablosu yöntemleri hem basit topolojik yapıları ile hem de düşük maliyetleri ile dikkat çekmektedir. Değiştir gözle, artan iletkenlik ve farklılaşma yöntemleri ise pahalı maliyetleri, karmaşık yapıları ve gerilim veya akım parametreleri ile kontrol edilebilmeleri yönüyle diğerlerinden ayrılmıştır [5].
4. Sonuçlar
Güneş enerjisinden maksimum oranda faydalanmak için çok sayıda maksimum güç noktası izleme yöntemi geliştirilmiştir. Bu çalışmada birçok maksimum güç noktası izleme yöntemi incelenmiş, yöntemlere ait akış diyagramları verilmiş ve yöntemlerin birbirlerine olan üstünlükleri teorik karşılaştırma bölümünde incelenmiştir. Bütün yöntemler maksimum noktayı yakalama konusunda başarılıdır. Ancak karmaşıklık, maliyet ve uygulama zorluğu seçilecek yöntemi belirlemede etkili olmaktadır.
Kaynaklar
[1] Başoğlu M. E., Güneş enerjisi sistemlerinde kullanılan maksimum güç izleyicili yükseltici DA-DA dönüştürücü analizi ve gerçekleştirilmesi, Yüksek Lisans Tezi, Kocaeli Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Kocaeli, 2013, 323167.
[2] Dolara A., Faranda R., Leva S., Energy Comparison of Seven MPPT Techniques for pv systems, Journal of Electromagnetic Analysis & Applications, 2009, 3, 152-162.
[3] Esram T., Chapman P. L., Comparison of photovoltaic array maximum power point tracking techniques, Energy Conversion, 2007, 22, 439-449.
[4] Ali A. N. A., Saied M. H., Mostafa M. Z., Moneim T. M. A., A survey of maximum power point tracking of photovoltaic systems, Energytech, 2012, DOI:10.1109/Energytech.2012.6304652.
[5] Subudhi B., Pradhan R., A comparative study on maximum power point tracking techniques for photovoltaic power systems, Sustainable Energy, 2013, 4, 89-98.
Yunus Emre KESKİN
Bekir ÇAKIR
Elektrik Mühendisliği Bölümü Kocaeli Üniversitesi
