Arazi şartlarında periyodik gerilim ve akım ölçüm yapan sistem için fotovoltaik güç ünitesi geliştirilmesi
Developing photovoltaic power unit for the system that measures periodical voltage and current in the field condition
Yazar: İLTERİŞ KUTLUK YILDIRIM
Danışman: PROF. DR. UĞUR BAYSAL
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Fotovoltaik sistemler = Photovoltaic systems ; Güç elektroniği = Power electronics ; Güç çeviriciler = Power converters ; Kablosuz ağlar = Wireless networks

Özet:
Bu çalışmada bir boru hattı üzerine kurulacak, çeşitli fiziksel akım ve gerilim gibi çeşitli parametreleri aktaracak olan sensör ağlarına enerji sağlayacak, dayanıklı, sürdürülebilir mikrodenetleyici tabanlı küçük güçlü fotovoltaik kontrol ünitesi tasarımı yapılmıştır. Erişimin zor olduğu bölgelerde kullanılacak olan sensör ağı sistemi için verimli, sürekli ve dayanıklı güç ünitesi geliştirilmiştir. Bu amaçla fotovoltaik enerji dönüşümü sistemleri araştırılmıştır. Sensör ağlarının devamlılığını sağlamak için en önemli parametre enerji kaynağının sürekliliğidir. Bu nedenle verimli maksimum güç noktası izleyicisi (MGNİ) algoritmaları ve doğrusal olmayan fotovoltaik enerjiyi sisteme uygun bir şekilde aktaracak olan küçük güçlü bir MGNİ kontrol ünitesi üzerine çalışmalar yapılmıştır. Sistemin gereksinimleri göz önüne alınarak kullanılacak fotovoltaik panel 10W değerinde
ve depolama ünitesi olarak 12V 7Ah kurşun asit batarya seçilmiştir. 15V - 21V arasındaki fotovoltaik gerilimi, bataryayı besleyebilmek amacı ile 12V - 14V değerine düşürmek amacı ile indirici tipte bir dönüştürücü tasarlanmıştır. Sistem tasarımında verimli olması, karmaşık devreler içermemesi ve kolay adapte edilebilen bir yaklaşım olması nedeniyle değiştir ve gözle algoritması ile sistem tasarımı yapılmış ve sonuçları incelenmiştir. Darbe genişlik modülasyonu (DGM) ile kontrol yaklaşımı ile başka bir güç kontrol ünitesi de tasarlanmış, tasarlanan bu ünite MGNİ kontrol ünitesi ile karşılaştırılmıştır. Sensör ağ sistemini beslemek için kısıtlayıcı faktörlerin en aza indirgenmesi hedeflenmiştir. Sensör ağ sisteminin yeterli güneş ışığının alınamadığı hava şartlarında bile paneller elektrik üretmese dahi depolanan enerji ile sistem beslenmesi sağlanmıştır. MGNİ yaklaşımı ile mikrodenetleyici tabanlı bir güç ünitesi tasarımı yapılmıştır. Sistem, kablosuz sensör ağının çalışacağı 12V gerilimde 1A çeken bir yük ile test edilmiştir. Yük kontrol biriminin aktif olma süresi, sistemde bulunan gerçek zamanlı saat ile kontrol edilmiştir. Yük bloğu, 30 dakika aralıklar ile 1 ve 2 dakika süresi boyunca aktif edilerek, güç kontrol ünitesi test edilmiştir. Tasarlanan sistemlerin verimleri karşılaştırılmış ve
sistemlerin eşdeğer koşullarda davranışları incelenmiştir. Panel, batarya ve kontrol ünitesi için özel bir yapı tasarlanmış, sistemin atmosferik ve zorlu çevre koşullarına karşı dayanıklılığı arttırılmıştır. Veri toplayıcı ünite sistem parametrelerini bir hafıza kartı içine kaydetmiştir. Bu veriler benzetim ortamına aktarılarak kontrol ünitesinin parametre davranışları incelenmiştir. Sistemde bulunan bir ekran ile giriş – çıkış parametreleri, tarih, saat, yükün anlık harcadığı güç ve sistem verimi anlık olarak takip edilmiştir. Yapılan testler sonucunda uygulanan MGNİ sisteminin %93 oranından daha yüksek bir genel verime sahip olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
In this study, a microcontroller based small power photovoltaic control unit is designed to provide energy to wireless sensor network, which measure physical parameters, installed on a pipeline on a rural area. For that purpose, photovoltaic energy conversion systems are researched. The most crucial parameter to ensure the longevity of sensor networks is the continuity of the energy source. Therefore, studies on maximum power point tracking methods and algorithms to transfer linearly non-linear photovoltaic energy to the system in a convenient way. 10W photovoltaic panel and 12V 7Ah storage unit are determined to use in the system considering requirements of the proposed design. In order to reduce the higher photovoltaic voltage to supply battery, a buck converter is designed. Perturb and observe algorithm is used as MPPT method. Perturb and observe algorithm is easily adaptable approach and does not need complex circuits to operate. Another photovoltaic control method named pulse width modulation control is designed and compared with MPPT control unit. The goal of this study is to design a stand-alone, durable, rugged, sustainable and high efficient microcontroller based photovoltaic (PV) power control system and minimizes obstructer factors for sustainability of sensor network system used in a pipeline on rural
area. Due to the inherent losses of photovoltaic systems, it is crucial that the maximum power is efficiently extracted from photovoltaic panel. A high efficient photovoltaic control unit is aimed to design to control power generated by photovoltaic array and transfer maximum power to the storage unit under variable atmospheric conditions. The system was tested with a load of 1A at a voltage of 12V at which the wireless sensor network would operate. The active time of the load unit is controlled by using real time clock. The load unit is activated for 1 and 2 minutes with 30 minutes intervals and the power control unit was tested. The efficiency of the systems is compared and the behavior of the systems under equivalent conditions is analyzed. A special structure is designed
for the panel, the battery and the control unit, and endurance of the system is enhanced to resist poor atmospheric and environmental conditions. Data logger unit records system parameters in a memory card by using SD card unit. These data is transferred to simulation environment and characteristic of the control unit is examined. Input - output data, date, time, instantaneous power consumption and system efficiency are monitored
instantaneously on a screen. As a result of the tests, it is determined that proposed MPPT control unit system has an overall efficiency of more than 93%.