Akıllı Rüzgar-Güneş Hibrit Sistemi Fuzzy-PID Kontrolü ile Geliştirilmiş Pil Yönetimi ve MPPT için

Özet

Bu teklif, gelişmiş kontrol teknolojisi temelinde bir rüzgar-güneş hibrit enerji üretim sistemi sunmaktadır ve uzak bölgelerde ve özel uygulama senaryolarında güç ihtiyaçlarını etkili ve ekonomik bir şekilde karşılamayı amaçlamaktadır. Sistemin çekirdeği, ATmega16 mikroişlemcine dayalı bir akıllı kontrol sistemidir. Bu sistem, hem rüzgar hem de güneş enerjisi için Maksimum Güç Noktası Takibini (MPPT) gerçekleştirir ve pilin kilit bileşeni olan pilin hassas ve etkin şarj/boşaltma yönetimini PID ve bulanık kontrol kombinasyonu ile optimize edilmiş algoritma kullanarak gerçekleştirir. Sonuç olarak, bu sistem toplam enerji üretim 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 enerjisi gibi temiz, yenilenebilir yeni enerji kaynaklarının canlı bir şekilde geliştirilmesi ve kullanılması, mevcut enerji ve çevresel sorunların çözümü için stratejik bir önceliğe dönüşmüştür.
2. Sistem Değeri: Rüzgar-güneş hibrit sistemi, rüzgar ve güneş enerjisinin zaman ve coğrafi açıdan doğal tamamlayıcı özelliklerini (örneğin, gündüz güçlü güneş ışığı, gece daha güçlü rüzgarlar olabilir) tam anlamıyla kullanarak, tek kaynaklı enerji üretiminin süreksizliğini aşmaktadır. Bu, yapısal olarak mantıklı, düşük işletme maliyetli bağımsız bir güç sağlama çözümüdür ve elektrifikasyonu olmayan veya zayıf elektrifikasyonlu uzak bölgelerdeki konut yaşamı, iletişim istasyonları ve meteorolojik izleme istasyonları gibi tesislerin enerji sağlama sorunlarını etkili bir şekilde çözer.
3. Kilit Bileşenlerin Önemi: Pil, sistemin enerji depolama birimi olarak, rüzgar veya güneş ışığı olmadığı dönemlerde yükü sürekli beslemenin garantisi olarak kritik öneme sahiptir. Maliyeti, tüm enerji üretim sisteminin önemli bir kısmını oluşturur. Bu nedenle, pillerin şarj verimliliğini artırmak ve onların şarj/boşaltma stratejilerini optimize etmek, pilin hizmet ömrünü uzatarak sistemin yaşam döngüsü maliyetini azaltmada ve işletimsel güvenilirliği artırmada hayati öneme sahiptir.

II. Toplam Sistem Tasarımı

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

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

III. Çekirdek Kontrol Teknolojisi: Akıllı Pil Yönetimi

1. Pil Seçimi ve Temel Bilgiler:
• Tür: Bu çözüm, teknolojik olarak olgun ve düşük maliyetli bakım gerektirmeyen kurşun-asit pilleri seçmiştir, bu piller küçük ölçekli rüzgar-güneş hibrit sistemleri için uygundur.
• Çalışma Prensibi: Pil şarjı ve boşaltması, esas olarak elektrik enerjisini kimyasal enerjiye ve bunun tersine dönüştürme süreçleridir. Ancak, elektrot polarizasyonu gibi olaylar nedeniyle enerji dönüşüm verimliliği %100' e ulaşamaz.
2. Kontrol Zorlukları ve Optimizasyon Stratejisi:
• Geleneksel Kontrolün Eksiklikleri: Klasik PID kontrol yöntemleri, kontrol edilen objenin (pil) doğru matematiksel modeline ağır bir şekilde bağlıdır. Pil, iç direnç, elektrolit yoğunluğu vb. parametreleri çevre sıcaklığı ve kullanım durumuyla dinamik olarak değişen doğrusal olmayan, zamanla değişen bir sistemdir. Bu, doğru bir model oluşturmaya zorluk çıkarır, geleneksel PID parametrelerinin ayarlanması zorlaşır, uyumluluğu düşüktür ve kontrol performansı optimal olmayabilir.
• Kabul Edilen Gelişmiş Kontrol Yöntemi: Bu çözüm, Fuzzy-PID bileşik kontrol stratejisini kullanır, her ikisinin avantajlarını birleştirir:
• Bulanık Kontrolün Avantajı: Kontrol edilen objenin kesin matematiksel modeline ihtiyaç duymaz, belirsiz giriş bilgisini ele alabilir, pil parametrelerindeki değişimlere güçlü bir uyum yeteneği gösterir ve uzman bilgisini entegre edebilir.
• PID Kontrolün Avantajı: Sistem sapması küçük olduğunda yüksek hassasiyet, sıfır durağan hata kontrolü sağlayabilir.
• Kontrolcü İş Akışı: Sistem, pilin belirlenen gerilimi ile gerçek gerilimi arasındaki fark olan e(t)'yi sürekli izler. Sapma e(t) büyük olduğunda, hızlı bir tepki için bulanık 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) ayarlanarak MOSFET'in çalışma oranı kontrol edilir, şarj akımının dinamik optimizasyonu sağlanır.

IV. Çözüm Özeti ve Beklentiler

• Kontrol Etkinliği: Bu çözümda tasarlanan rüzgar-güneş hibrit enerji üretim kontrol sistemi, tamamlayıcı akıllı Fuzzy-PID kontrol algoritması ile pilin şarj/boşaltma yönetimini başarıyla optimize etmiştir. Bu, pilin etkili bir şekilde korunmasını ve hizmet ömrünün uzatılmasını sağlarken, MPPT yoluyla rüzgar ve güneş enerjisinin yakalanma verimliliğini de artırmaktadır, bu da tüm enerji üretim sisteminin toplam verimliliğini iyileştirir.
• Deneysel Doğrulama: Deneysel sonuçlar, kontrolcünün doğru ve uygulanabilir şekilde tasarlandığını, güvenli ve güvenilir bir şekilde çalıştığını, iyi bir dinamik yanıt performansına ve durağan hata doğruluğuna sahip olduğunu göstermektedir.
• Uygulama Beklentileri: Bu, akıllı pil yönetimi teknolojisi ile bütünleşik rüzgar-güneş hibrit enerji üretim çözümü, ağ kapsamı olmayan uzak bölgeler, adalar, oturaklar ve iletişim istasyonları gibi senaryolar için özellikle uygundur. Anlaşılır ekonomik ve sosyal faydaları vardır ve geniş uygulama beklentilerine sahiptir.