Akıllı Rüzgar-Güneş Hibrit Sistemi Fuzzy-PID Kontrol ile Geliştirilmiş Batarya Yönetimi ve MPPT için

Özet

Bu teklif, gelişmiş kontrol teknolojisi temelinde bir rüzgar-güneş hibrit enerji üretim sistemi sunmaktadır ve uzak bölgelerin ve özel uygulama senaryolarının güç ihtiyaçlarını etkili ve ekonomik bir şekilde karşılamayı amaçlamaktadır. Sistemin çekirdeği, ATmega16 mikroişlemcisi merkezli bir akıllı kontrol sistemidir. Bu sistem, hem rüzgar hem de güneş enerjisi için Maksimum Güç Noktası İzleme (MPPT) gerçekleştirir ve pilin - ana bileşen - hassas ve etkili şarj/boşaltma yönetimini gerçekleştirmek için PID ve bulanık kontrolün birleştirildiği optimize edilmiş bir algoritmayı kullanır. Sonuç olarak, bu, toplam enerji üretimi verimliliğini önemli ölçüde artırır, pillerin ömrünü uzatır ve güç sağlamanın güvenilirliğini ve maliyet etkinliğini sağlar.

I. Proje Arka Planı ve Önemi

1. Enerji Bağlamı: Küresel olarak, geleneksel fosil yakıtlar giderek tükenmektedir, bu da enerji güvenliği ve sürdürülebilir kalkınma açısından ciddi zorluklar oluşturuyor. Rüzgar ve güneş gibi temiz, yenilenebilir yeni enerji kaynaklarının canlı bir şekilde geliştirilmesi ve kullanılması, mevcut enerji ve çevre sorunlarının çözümü için stratejik bir önceliğe dönüşmüştür.
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 olarak kullanarak, tek kaynaklı enerji üretimindeki kesintisizlik sorununu aşmaktadır. Bu, yapısal olarak mantıklı, düşük işletme maliyetine sahip bağımsız bir güç sağlama çözümüdür ve elektrikleşmemiş veya zayıf elektrikleşmiş uzak bölgelerde konut yaşamı, iletişim istasyonları ve meteorolojik izleme istasyonları gibi tesislerin enerji sağlama sorunlarını etkili bir şekilde çözer.
3. Ana Bileşenlerin Önemi: Pil, sistemin enerji depolama birimi olarak görev yapar ve rüzgar veya güneş olmadığı dönemlerde yükü sürekli güç iletmek için kritik öneme sahiptir. Maliyeti, tüm enerji üretim sisteminin önemli bir kısmını oluşturmaktadır. Bu nedenle, pil şarj etkinliğini artırmak ve onun şarj/boşaltma stratejilerini optimize etmek, pille ilgili hizmet ömrünü uzatmak, sistemin döngü ömrü maliyetini azaltmak ve işletim güvenilirliğini artırmak için hayati önem taşımaktadır.

II. Toplam Sistem Tasarımı

1. Sistem Çekirdek Hedefleri:
• Enerji Yakalama Optimizasyonu: Rüzgar türbini ve fotovoltaik paneller tarafından üretilen elektriğin maksimum verimlilik üzerinde optimal kontrol gerçekleştirmek, doğal kaynakları tam olarak kullanmak için Maksimum Güç Noktası İzleme (MPPT) elde etmek.
• Enerji Depolama Sistemi Yönetimi: Pillerin şarj ve boşaltma sürecini akıllıca yönetmek, aşırı şarj ve aşırı boşalmayı önlemek, pilin etkili bir şekilde korunmasını sağlamak ve şarj etkinliğini ve hizmet ömrünü önemli ölçüde artırmak.
2. Sistem Donanım Mimarisi:

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

III. Çekirdek Kontrol Teknolojisi: Akıllı Pil Yönetimi

1. Pil Seçimi ve Temel Bilgiler:
• Tür: Bu çözüm, teknolojik açıdan olgun ve düşük maliyetli bakım gerektirmeyen kurşun-asit pilleri seçmiştir, bu piller küçük ölçekli rüzgar-güneş hibrit sistemleri için uygunlardır.
• Çalışma Prensibi: Pil şarj ve boşaltma süreçleri, esas olarak elektrik enerjisini kimyasal enerjiye ve tersine dönüştürme süreçleridir. Ancak, elektrot polarizasyonu gibi olaylar nedeniyle enerji dönüştürme verimliliği %100'ü asla ulaşamaz.
2. Kontrol Zorlukları ve Optimizasyon Stratejisi:
• Geleneksel Kontrolün Dezavantajları: Klasik PID kontrol yöntemleri, kontrol edilen objenin (pil) doğru matematiksel modeline ağır basar. Pil, parametreleri (iç direnç, elektrolit yoğunluğu vb.) çevre sıcaklığı ve kullanım durumuyla dinamik olarak değişen doğrusal olmayan, zamanla değişen bir sistemdir, bu nedenle doğru bir model oluşturulması zordur. Bu, geleneksel PID parametrelerinin ayarlanmasında zorluklar, düşük uyum yeteneği ve zayıf kontrol performansına yol açar.
• Kullanılan Gelişmiş Kontrol Yöntemi: Bu çözüm, Fuzzy-PID bileşik kontrol stratejisini kullanır, her ikisinin avantajlarını birleştirir:
• Bulanık Kontrolün Avantajı: Kontrol edilen objenin doğru matematiksel modeline ihtiyaç duymaz, belirsiz giriş bilgisini işlemeye yeterli, 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 sağlar.
• Kontrolcü Çalışma Süreci: Sistem, pilin belirlenen gerilimi ile gerçek gerilimi arasındaki fark olan e(t)'yi sürekli izler. Sapma e(t) büyük olduğunda, hızlı tepki için bulanık kontrol hakim olur. e(t) belirli bir aralık içinde azaldığında, ince ayar için PID kontrole düzgün bir şekilde geçiş yapılır. Sonuç olarak, çıkış sinyali u(t) ayarlanarak MOSFET'in çalışma siklini kontrol edilir, şarj akımının dinamik optimizasyonu sağlanır.

IV. Çözüm Özeti ve Gelecek Yönleri

• Kontrol Etkinliği: Bu çözümda tasarlanan rüzgar-güneş hibrit enerji üretim kontrol sistemi, tamamlayıcı akıllı Fuzzy-PID kontrol algoritması aracılığıyla pilin şarj/boşaltma yönetimini başarıyla en üst düzeye çıkarır. Bu, pilin etkili bir şekilde korunmasını ve hizmet ömrünü uzatmasını sağlar, ayrıca MPPT aracılığıyla rüzgar ve güneş enerjisinin yakalanma verimliliğini artırarak, tüm enerji üretim sisteminin toplam 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 Gelecek Yönleri: Akıllı pil yönetimi teknolojisi ile bütünleştirilmiş bu rüzgar-güneş hibrit enerji üretim çözümü, ağ kaplaması olmayan uzak bölgeler, adalar, oturak alanları ve iletişim istasyonları gibi senaryolar için özellikle uygun olup, önemli ekonomik ve sosyal faydalar sunar ve geniş uygulama potansiyeline sahiptir.