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

1.Giriş ve Araştırma Arka Planı​

​1.1 Güneş Enerjisi Sektörünün Güncel Durumu​
En bol yenilenebilir enerji kaynaklarından biri olarak, güneş enerjisinin geliştirilmesi ve kullanılması küresel enerji geçişinin merkezine yerleşmiştir. Son yıllarda dünya çapındaki politikaların desteğiyle fotovoltaik (PV) endüstrisi patlamalı büyüme yaşamıştır. İstatistikler, Çin'in PV endüstrisinin "12. Beş Yıllık Plan" döneminde 168 katına kadar arttığını göstermektedir. 2015 yılı sonunda, kurulmuş PV kapasitesi 40.000 MW'yi aşmış ve üç yıl üst üste dünyada birinci sıraya yükselmiştir, gelecekte de devam eden bir büyüme beklenmektedir.

​1.2 Mevcut Sorunlar ve Teknik Zorluklar​
Rakip 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 gölgelendirmeye açık olup, bu da "uyumsuzluk" kayıplarına ve sıcak nokta etkilerine yol açarak sistemin güç üretim verimliliğini ve güvenliğini önemli ölçüde azaltır.
• ​Enerji Depolama Batarya Paketi Sorunları:​​ Batarya paketleri de seri-paralel yapı kullanır ve dolayısıyla dengelendirme sorunlarıyla karşı karşıya kalır. Ölçekle birlikte batarya tutarsızlığı artar, bu durum sadece sistemin karmaşıklığını artırır, aynı zamanda kapasite azalmasına ve ömrün kısalmasına neden olur, geniş ölçekli uygulamayı zorlaştırır.
• ​Mevcut Teknolojilerdeki Yetersizlikler:​​ Bazı araştırmacılar pasif eşitleme yönetim teknikleri önermiş olsa da, bu yöntemler sadece dengelendirme sorununu yerinden değiştirir, çoklu modül serisi bağlantısının aşağı akım devrelerine etkisini tam olarak göz önünde bulundurmaz. Ayrıca, PV hücreler gibi kritik bileşenlerin seçimi için bilimsel rehberliği eksiktir.

​II. Genel Sistem Çözümü ve Topoloji​

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

​2.1 Hierarşik Sistem Yapısı​
Sistem, temel birimden itibaren üç seviyeye doğru hiyerarşik olarak yapılandırılır:

1. ​Modül (Temel Birim):​​
• ​Yapısı:​​ Tek bir PV hücresi, tek bir depolama bataryası (eşleşen gerilim ve kapasite), 4 güç anahtarı ve bağımsız bir kontrolcü.
• ​Fonksiyonu:​​ En küçük bağımsız birim olarak, kontrolcü 4 anahtarı yöneterek PV hücresinin ve bataryanın bağımsız bağlantı/kesinti işlemlerini sağlar, beş işletim modu arasında esnek geçiş sağlar.
2. ​Seri Zinciri:​​
• ​Yapısı:​​ Yukarıdaki birkaç modülün seri olarak bağlanması ile oluşturulur.
• ​Fonksiyonu:​​ Zincirin toplam çıkış gerilimini, aşağı akım DC/DC yükseltici dönüştürücünün giriş gerilim aralığına uygun hale getirir.
3. ​Sistem:​​
• ​Yapısı:​​ Birden fazla seri zincirin paralel olarak bağlanması ve bir DC/DC dönüştürücü üzerinden ortak bir DC otobüsüne yakınsaması ile oluşur.
• ​Fonksiyonu:​​ DC otobüsü doğrudan DC yüklerine güç sağlayabilir veya bir DC/AC inverter aracılığıyla AC yüklerine güç sağlayabilir.

​2.2 Temel Avantajlar​
Bu topoloji, bireysel hücre düzeyinde bağımsız kontrol sayesinde, geleneksel seri yapıların fiziksel düzeyde doğal gölgelendirme etkilerini ve batarya dengelendirme sorunlarını temelden ortadan kaldırır. Uygun bileşen seçimleri ile, sistem PV hücrelerinin sürekli olarak maksimum güç noktasına (MPP) yakın çalışmasını sağlar, bu da ek MPPT devrelerine ve karmaşık Batarya Yönetim Sistemlerine (BMS) ihtiyaç duyulmasını ortadan kaldırır.

​III. Hierarşik İzleme Stratejisi​

Bu çözüm, yerelden küresel seviyeye kadar ayrıntılı izlemeyi gerçekleştirmek için hiyerarşik bir kontrol stratejisi benimser.

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

​3.2 Zincir Düzeyinde İzleme Stratejisi (Gerilim Koordinasyon Kontrolü)​​
Zincir düzeyindeki izleme, DC/DC dönüştürücünün giriş gerilimi (U_in) ana parametre olarak kullanılarak, modüllerin bağlanması/bağlantısının kesilmesiyle gerilim istikrarlı hale getirilir.

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

​3.3 Sistem Düzeyinde İzleme Stratejisi (Küresel Koruma)​​
Sistem düzeyindeki izleme, güç tedarik kalitesini sağlamak üzerine odaklanır, DC otobüsü gerilimi (U_bus) ana izleme noktasıdır.

• ​Kontrol Mantığı:​​ DC otobüsü gerilimi gerçek zamanlı olarak izlenir. Eğer gerilim kritik eşiğin altında düşerse (örneğin, 24V sistem derecelendirmesinin %80'i, yani 22V), bu, toplam sistem enerjisinin yetersiz olduğunu gösterir. İzleme sistemi, inverter ve yük ekipmanlarını korumak için küresel bir kapatma emri yürütür, AC tarafında güç kalitesini sağlar.

​IV. Kritik Bileşen Seçim Yöntemi​

PV hücreleri ve depolama bataryaları arasındaki eşleme 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 kritik öneme sahiptir.
• ​Seçim Modeli:​​ PV hücresinin mühendislik matematiksel modeli (sıcaklık ve ışınım etkileri göz önüne alınarak) temel alındığında, sistem verimliliği η batarya gerilimi U_BAT ve PV hücresinin maksimum güç noktası gerilimi U_mp cinsinden türetilir.
• ​Sonuç:​​ İşlem gerilimi 3.9V~4.0V civarında olan 3.7V depolama bataryası için, simülasyon sonuçları, PV hücresinin U_mp'sinin yaklaşık 4.25V olduğunda sistemin güneş enerjisi kullanım verimliliğinin en yüksek olduğunu gösterir. Bu nedenle, pratik seçimde PV hücresinin U_mp'si 4.2V ~ 4.3V aralığında kontrol edilmelidir.

​V. Beklenen Sonuçlar​

1. ​Belirgin Verimlilik Artışı:​​ Modüler bağımsız işlem, seri yapıların doğal "varil etkisi" ve sıcak nokta sorunlarını tamamen ortadan kaldırır, her bir birimin etkin bir şekilde çalışmasını sağlar. Aynı zamanda, PV ve depolama arasındaki hassas gerilim eşleşmesi, ek devrelere gerek kalmadan yaklaşık Maksimum Güç Noktası Takibi (MPPT) sağlar, bu da güç üretim verimliliğini büyük ölçüde artırır.
2. ​Ömür ve Güvenilirliğin Artışı:​​ Modüler yapı, batarya paketlerinin tutarsızlıklarından kaynaklanan dengelendirme zorluklarını temelden çözerek, aşırı şarj ve aşırı boşalmayı önler, bu da genel sistem ömrünü etkili bir şekilde uzatır. Hierarşik izleme stratejisi, yerelden küresel seviyeye kadar çok katmanlı koruma sağlar, sistemin dayanıklılığını önemli ölçüde artırır.
3. ​Maliyet Optimizasyonu ve Kolay Bakım:​​ Bu tasarım, karmaşık MPPT takipçilerine 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, bu da toplam yaşam döngüsü maliyetini azaltır.