Yeni Bir Modüler İzleme Çözümü Fotovalik ve Enerji Depolama Güç Üretim Sistemleri için

1.Giriş ve Araştırma Arka Planı​

​1.1 Güneş Enerji Sektörünün Güncel Durumu​
En bol yenilenebilir enerji kaynaklarından biri olarak, güneş enerjisinin geliştirilmesi ve kullanımı küresel enerji geçişinin merkezine yerleşmiştir. Son yıllarda dünya çapındaki politikaların etkisiyle fotovoltaik (PV) endüstrisi patlamalı büyüme yaşadı. İstatistiklere göre, Çin'in PV endüstrisi "12. Beş Yılı Planı" döneminde muazzam 168 kat arttı. 2015 yılı sonunda, kurulmuş PV kapasitesi 40.000 MW'yi aştı ve üç yıl üst üste dünya genelinde birinci sırada yer aldı, gelecekte de devam eden büyüme beklenmektedir.

​1.2 Mevcut Sorunlar ve Teknik Zorluklar​
Hızlı gelişmeye rağmen, geleneksel PV enerji depolama sistemleri uygulamalarda hala birçok teknik engelle karşı karşıyadır:

• ​PV Dizisi Sorunları:​​ Yük gerilimi ve güç gereksinimlerini karşılamak için genellikle çok sayıda bireysel PV hücreleri seri ve paralel olarak bağlanır. Bu yapı, kısmi gölgelik etkisine maruz kalabilir, bu da "uyumsuzluk" kayıplarına ve sıcak nokta etkilerine neden olur, bu da sistemin güç üretim verimliliğini ve güvenliğini önemli ölçüde azaltır.
• ​Enerji Depolama Batarya Paketi Sorunları:​​ Batarya paketleri, aynı şekilde seri-paralel yapı kullanarak, doğal olarak dengeler sorunlarıyla karşı karşıya kalır. Ölçekle birlikte batarya uyumsuzluğu daha da kötüleşir, bu durum sadece sistemin karmaşıklığını artırır, aynı zamanda kapasite düşüşüne ve ömrün kısalmasına neden olur, büyük ölçekli uygulamayı zorlaştırır.
• ​Mevcut Teknolojilerdeki Yetersizlikler:​​ Bazı araştırmacılar pasif eşitleme yönetim teknikleri önermiş olsa da, bu yöntemler sadece dengeler sorununu değiştirir, çok modül serili bağlantıların aşağı akış devrelerine etkisini tam olarak göz önünde bulundurmaz. Ayrıca, PV hücreleri gibi kritik bileşenlerin seçimi için bilimsel yönlendirme eksikliği vardır.

​II. Genel Sistem Çözümü ve Topoloji​

Bu çözümün temeli, yeni, modüler ve ölçeklenebilir bir güç sistem topolojisi oluşturmaktır.

​2.1 Katmanlı Sistem Yapısı​
Sistem, temel birimden itibaren üç seviyeye ayrılmıştır:

1. ​Modül (Temel Birim):​​
• ​Yapısı:​​ Tek bir PV hücresi, tek bir depolama bataryası (eşleşen gerilim ve kapasite ile), 4 güç anahtarı ve bağımsız bir kontrolcü.
• ​Fonksiyonu:​​ En küçük bağımsız birim olarak, kontrolcü 4 anahtarı yöneterek PV hücresi ve bataryanın bağımsız bağlantısını/kopma işlemini sağlar, beş işletme modu arasında esnek geçiş sağlar.
2. ​Seri Dizisi:​​
• ​Yapısı:​​ Yukarıdaki birkaç modülün seri olarak bağlanmasıyla oluşturulur.
• ​Fonksiyonu:​​ Dizinin toplam çıkış gerilimini artırmak, aşağı akış DC/DC yükseltici dönüştürücüsünün giriş gerilim aralığına uydurmak.
3. ​Sistem:​​
• ​Yapısı:​​ Birden fazla seri dizinin paralel olarak bağlanmasıyla, DC/DC dönüştürücü aracılığıyla ortak bir DC hatlarına birleştirilir.
• ​Fonksiyonu:​​ DC hat doğrudan DC yüklerine güç sağlayabilir veya DC/AC inverter aracılığıyla AC yüklerine güç sağlayabilir.

​2.2 Temel Avantajlar​
Bu topoloji, bireysel hücre düzeyinde bağımsız kontrol sayesinde, geleneksel seri yapıların fiziksel düzeydeki doğal gölgelik etkilerini ve batarya dengesi sorunlarını kökten ortadan kaldırır. Uygun bileşen seçimleriyle, sistem PV hücrelerinin sürekli olarak Maksimum Güç Noktası (MPP) civarında çalışmasını sağlar, bu da ek MPPT devrelerine ve karmaşık Batarya Yönetim Sistemlerine (BMS) ihtiyaç duymaz.

​III. Katmanlı İzleme Stratejisi​

Bu çözüm, yerelden küresel düzeylere kadar ince izlemeyi gerçekleştirmek için katmanlı kontrol stratejisini benimser.

​3.1 Modül Seviyesinde İzleme Stratejisi (Otonom Kontrol)​​
Her modül, kendi durumu (PV çıkış gerilimi, batarya gerilimi) ne olursa olsun, aşağıdaki 5 işletme modu arasında otomatik olarak geçiş yapar:

​3.2 Dizi Seviyesinde İzleme Stratejisi (Gerilim Koordinasyon Kontrolü)​​
Dizi seviyesindeki izleme, DC/DC dönüştürücünün giriş gerilimi (U_in) ana parametre olarak kullanılarak, modüllerin bağlanıp/kesilmesiyle gerilim istikrarı sağlanır.

• ​Kontrol Hedefi:​​ U_in'nin DC/DC devresinin izin verilen çalışma aralığında (örn. 12V ~ 22V) kalmasını sağlamak.
• ​Eşik Kontrol Mantığı (örn. 24V sistem için):​​
• ​Düşük Gerilim Eşiği (16V):​​ Eğer U_in < 16V ise, izleme sistemi otomatik olarak dizi içinde normal batarya şarjına sahip ancak bekleme modunda olan modülleri arar, onları bağlamaya emretir, düşük giriş gerilimi nedeniyle DC/DC'nin kapanmasını önler.
• ​Yüksek Gerilim Eşiği (20V):​​ Eğer U_in > 20V ise, yeni modüllerin bağlanması kısıtlanır, U_in'nin DC/DC'nin maksimum giriş gerilimini aşmaması sağlanır.
• ​Koruma Eşiği (12V):​​ Eğer U_in < 12V ise, dizi tükenmiş kabul edilir, zorla bağlantısı kesilir. Tüm modüller bekleme moduna girer, yeterli sayıda batarya şarjını kurtarana kadar.

​3.3 Sistem Seviyesinde İzleme Stratejisi (Küresel Koruma)​​
Sistem seviyesindeki izleme, güç tedarik kalitesini sağlamak üzerine odaklanır, DC hat gerilimi (U_bus) ana izleme noktasıdır.

• ​Kontrol Mantığı:​​ DC hat gerilimi gerçek zamanlı olarak izlenir. Eğer gerilim kritik eşiğin altında (örn. 24V sistem derecesinin %80'i, yani 22V) düşerse, bu toplam sistem enerjisinin yetersiz olduğunu gösterir. İzleme sistemi küresel kapatma komutunu yürütür, inverter ve yük ekipmanlarını korur, AC tarafındaki güç kalitesini sağlar.

​IV. Kritik Bileşen Seçim Yöntemi​

PV hücreleri ile depolama bataryaları arasındaki eşleştirme sorununu çözmek için, bu çözüm güneş enerjisi kullanım verimliliğini maksimize etmeyi amaçlayan bir seçim yöntemi önerir.

• ​Temel Fikir:​​ Bu sistemde, PV hücresinin çalışma gerilimi batarya gerilimi tarafından sınırlanır, bu nedenle gerilim parametrelerinin eşleşmesi kritiktir.
• ​Seçim Modeli:​​ PV hücresinin mühendislik matematiksel modeli (sıcaklık ve ışıma etkilerini dikkate alarak), sistem verimliliği η batarya gerilimi U_BAT ve PV hücresinin maksimum güç noktası gerilimi U_mp cinsinden elde edilir.
• ​Sonuç:​​ 3.7V depolama bataryası için, yaklaşık 3.9V~4.0V civarında bir çalışma gerilimi ile simülasyon sonuçları, PV hücresinin U_mp'nin yaklaşık 4.25V olduğunda sistemin güneş enerjisi kullanım verimliliğinin en yüksek olduğunu gösterir. Bu nedenle, pratik seçimlerde PV hücresinin U_mp'si 4.2V ~ 4.3V aralığında kontrol edilmelidir.

​V. Beklenen Sonuçlar​

1. ​Önemli Verimlilik Artışı:​​ Modüler bağımsız operasyon, seri yapıların içgüdüsel "küvet etkisi" ve sıcak nokta sorunlarını tamamen ortadan kaldırır, her bir birimin etkin bir şekilde çalışmasını sağlar. Aynı zamanda, PV ile depolama arasındaki hassas gerilim eşleşmesi, ek devreler olmadan yaklaşık Maksimum Güç Noktası Takibi (MPPT) sağlar, güç üretim verimliliğini büyük ölçüde artırır.
2. ​Ömür ve Güvenilirliğin Artışı:​​ Modüler yapı, batarya paketleri arasındaki uyumsuzlukların neden olduğu denge sorunlarını temelde çözer, aşırı şarj ve aşırı boşalmayı önler, bu da genel sistem ömrünü etkili bir şekilde uzatır. Katmanlı izleme stratejisi, yerelden küresel düzeylere kadar çoklu koruma katmanları sağlar, sistemin dayanıklılığını önemli ölçüde artırır.
3. ​Maliyet Optimizasyonu ve Kolay Bakım:​​ Bu tasarım, karmaşık MPPT takipçileri ve Batarya Yönetim Sistemlerine (BMS) ihtiyaç duymadan, donanım maliyetlerini azaltır. "Lego tarzı" mimarisi, kurulumu, bakımı ve genişletmeyi oldukça kolaylaştırır. Tek bir modülün başarısız olması genel işlemi etkilemez, toplam yaşam döngüsü maliyetini azaltır.