Akıllı Rüzgar-Güneş Hibrit Sistemi Fuzzy-PID Kontrol ile Geliştirilmiş Pil Yönetimi ve Maksimum Güç Noktasına Ulaşma için

Özet

Bu teklif, gelişmiş kontrol teknolojisi temelinde bir rüzgar-güneş hibrit enerji üretim sistemi sunmaktadır. Uzak bölgelerin ve özel uygulama senaryolarının enerji ihtiyaçlarını etkili ve ekonomik bir şekilde karşılamayı amaçlamaktadır. Sistemin çekirdeği, ATmega16 mikroişlemcili merkezli bir akıllı kontrol sistemidir. Bu sistem, hem rüzgar hem de güneş enerjisi için Maksimum Güç Noktası Takibi (MPPT) gerçekleştirir ve pilin kilit bileşeni olan pilin hassas ve etkili şarj/boşaltma yönetimini PID ve bulanık kontrolün birleştirildiği optimize edilmiş bir algoritma kullanarak gerçekleştirmektedir. Bu nedenle, toplam güç üretim verimliliğini önemli ölçüde artırıyor, pil ömrünü uzatıyor ve güç sağlamanın güvenilirliğini ve maliyet etkinliğini sağlıyor.

I. Proje Arka Planı ve Önemi

1. Enerji Bağlamı: Küresel olarak, geleneksel fosil yakıtlar giderek tükenmektedir, bu durum enerji güvenliği ve sürdürülebilir gelişmeye ciddi zorluklar oluşturuyor. Rüzgar ve güneş enerjisi gibi temiz, yenilenebilir yeni enerji kaynaklarının canlı canlı geliştirilmesi ve kullanılması, mevcut enerji ve çevresel sorunların çözülmesi için stratejik bir öncelik haline gelmiştir.
2. Sistem Değeri: Rüzgar-güneş hibrit sistemi, rüzgar ve güneş enerjisinin zaman ve coğrafya açısından doğal tamamlayıcı özelliklerini (örneğin, gündüz güçlü güneş ışığı, gece daha güçlü rüzgarlar olabilir) tam anlamıyla kullanarak, tek kaynaklı güç üretiminin süreksizliğini aşmaktadır. Yapısal olarak makul, düşük işletme maliyetli bağımsız bir güç sağlama çözümüdür, elektriklenmemiş veya zayıf elektriklenmiş uzak bölgelerdeki yerleşim yerleri, iletişim baz istasyonları, meteorolojik izleme istasyonları gibi tesislerin enerji sağlama sorunlarını etkili bir şekilde çözmektedir.
3. Çekirdek Bileşenlerin Önemi: Pil, sistemin enerji depolama birimi olarak görev yaparak, rüzgar veya güneş ışığı olmadığı dönemlerde yükü sürekli güç ile beslemeyi sağlar. Maliyeti, tüm güç üretim sisteminin önemli bir kısmını oluşturmaktadır. Bu nedenle, pil şarj etkinliğini iyileştirmek ve onun şarj/boşaltma stratejilerini optimize etmek, pilin hizmet ömrünü uzatmak, sistemin yaşam döngüsü maliyetini azaltmak ve operasyonel güvenilirliği artırmak için hayati öneme sahiptir.

II. Genel Sistem Tasarımı

1. Sistem Çekirdek Hedefleri:
• Enerji Yakalama Optimizasyonu: Rüzgar türbini ve fotovoltaik paneller tarafından üretilen elektriğin maksimum verimlilik üzerinde en iyi kontrolü gerçekleştirmek, Maksimum Güç Noktası Takibi (MPPT) ile doğal kaynakları tamamen kullanabilmek.
• Enerji Depolama Sistemi Yönetimi: Pillerin şarj ve boşaltma sürecini akıllıca yönetmek, aşırı şarj ve aşırı boşalmayı önlemek, pili etkili bir şekilde korumak, şarj etkinliğini ve hizmet ömrünü önemli ölçüde artırmak.
2. Sistem Donanım Mimarisinin:

Sistem, merkezi kontrol CPU tarafından koordine edilen üç ana işlevsel modülden oluşur ve böylece tam bir akıllı kontrol sistemi oluşturulur.

III. Çekirdek Kontrol Teknolojisi: Akıllı Pil Yönetimi

1. Pil Seçimi ve Temelleri:
• Tür: Bu çözüm, teknolojik olarak olgun ve düşük maliyetli bakım gerektirmeyen kurşun-asit pilleri seçmiştir, küçük ölçekli rüzgar-güneş hibrit sistemleri için uygunlardır.
• Çalışma Prensibi: Pil şarj ve boşaltma, esas olarak elektrik enerjisini kimyasal enerjiye ve tam tersine dönüştürme süreçleridir. Ancak, elektrot polarizasyonu gibi olaylar nedeniyle enerji dönüşüm verimliliği %100' e ulaşamaz.
2. Kontrol Zorlukları ve Optimizasyon Stratejisi:
• Geleneksel Kontrolün Dezavantajları: Klasik PID kontrol yöntemleri, kontrol edilen obje (pil) için doğru bir matematiksel modele ağır bağımlıdır. Pil, parametreleri (iç direnç, elektrolit yoğunluğu vb.) çevre sıcaklığı ve kullanım durumuyla dinamik olarak değişen doğrusal olmayan, zamanla değişen bir sistemdir. Bu, kesin bir model oluşturmayı zorlaştırır, geleneksel PID parametrelerinin ayarlanmasını zorlaştırır, uyum yeteneği düşük ve kontrol performansı optimal olmaz.
• Benimsenen Gelişmiş Kontrol Yöntemi: Bu çözüm, Fuzzy-PID bileşik kontrol stratejisini kullanır, her ikisinin avantajlarını birleştirir:
• Fuzzy Kontrolün Avantajı: Kontrol edilen obje için tam bir matematiksel model gerektirmez, belirsiz giriş bilgilerini işleyebilir, pil parametrelerindeki değişimlere karşı güçlü uyum yeteneğine sahiptir ve uzman bilgisini entegre edebilir.
• PID Kontrolün Avantajı: Sistem sapması küçük olduğunda, yüksek hassasiyetli, sıfır durağan hata kontrolü sağlayabilir.
• Kontrolör Çalışma Süreci: Sistem, pilin belirlenen gerilimi ile gerçek gerilimi arasındaki farkı e(t) sürekli izler. Sapma e(t) büyük olduğunda, hızlı bir tepki için fuzzy kontrol hakim olur. e(t) belirli bir aralık içinde azaldığında, ince ayarlama için PID kontrole düzgün bir şekilde geçiş yapılır. Sonuç olarak, çıkış sinyali u(t) değiştirilerek, MOSFET'in çalışma siklini kontrol edilir ve şarj akımının dinamik optimizasyonu sağlanır.

IV. Çözüm Özeti ve Gelecek Vizyonu

• Kontrol Etkinliği: Bu çözümde tasarlanan rüzgar-güneş hibrit güç üretim kontrol sistemi, tamamlayıcı akıllı Fuzzy-PID kontrol algoritması yoluyla pil şarj/boşaltma yönetimini başarıyla optimize etmiştir. Bu, pilin korunmasını ve hizmet ömrünü uzatmanın yanı sıra MPPT aracılığıyla rüzgar ve güneş enerjisinin yakalanma verimliliğini de artırmaktadır, bu da tüm güç üretim sisteminin genel verimliliğini iyileştirir.
• Deneysel Doğrulama: Deneysel sonuçlar, kontrolcünün doğru ve uygulanabilir bir şekilde tasarlandığını, güvenli ve güvenilir bir şekilde çalıştığını, iyi dinamik yanıt performansına ve durağan hata doğruluğuna sahip olduğunu göstermiştir.
• Uygulama Geleceği: Akıllı pil yönetimi teknolojisi ile bütünleşik bu rüzgar-güneş hibrit güç üretim çözümü, ağ kapsamı dışında olan uzak bölgeler, adalar, otlayan yerler ve iletişim baz istasyonları gibi senaryolar için özellikle uygundur. Anlaşılabilir ekonomik ve sosyal faydalar sunar ve geniş uygulama potansiyeline sahiptir.