Güneş panellerinin maksimum güç noktasını izlemek için mikrodenetleyici tabanlı devre tasarımı
Desing of a microcontroller based circuit for maximum power point tracking of solar panels
Yazar: NURETTİN GÖKŞENLİ
Danışman: PROF. DR. MEHMET AKBABA
Karabük Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control

Özet:
Dünyanın başlıca enerji kaynağı fosil yakıtlardır ve bu kaynağın rezervleri gün geçtikçe hızlı bir şekilde azalmaktadır. Bu nedenle fosil yakıtların, ulusların enerji ihtiyacını karşılamak için yeterli olmayacağı açıktır. Bu nedenle, yenilenebilir enerji üzerine yoğun araştırmalar, tüm dünyadaki birçok ülkenin büyük yatırımlarıyla desteklenmektedir. Yenilenebilir enerji kaynakları arasında Güneş Enerjisi en temiz, bol ve ücret gerektirmediği için en popüler enerji kaynağıdır. Güneş Enerjisinin en büyük dezavantajı, elektrik enerjisine dönüştürüldüğünde düşük verimi olmasıdır. Güneş Enerjisi, fotovoltaik paneller kullanılarak elektrik enerjisine dönüştürülür. Günümüzde pazardaki mevcut fotovoltaik panellerin verimliliği% 20'nin altındadır. Öte yandan, Güneş Enerjisinden yararlanan elektrik enerjisinin maliyeti diğer geleneksel enerji kaynaklarının maliyetine kıyasla halen önemli derecede yüksektir. Ayrıca, güneş panelleri tarafından beslenen yüklerin I-V karakteristikleri, güneş panellerinin I-V karakteristiği ile eşleşmediğinde verimlilik daha da düşer. Bu sorunun üstesinden gelmek için, bir tür empedans eşleştirme devresi görevi gören ve Maksimum Güç Noktası İzleyici (MPPT) adı verilen bir elektronik devre güneş panelleri ve yükler arasına yerleştirilmiştir. PV panel tabanlı elektrik enerjisinin başlangıç maliyeti yüksek olduğundan, ünitenin verimliliğini bile arttıran MPPT devreleri önemlidir. Öte yandan, daha az karmaşık ve düşük maliyetli bir MPPT devresinin olması istenmektedir. Bu çalışmada bu isteğe cevap vermek için, yeni bir mikrodenetleyici tabanlı maksimum güç noktası izleyici (MPPT) devresi inşa edilmiş, simüle edilmiş ve test edilmiştir. Bu yeni MPPT devresinde fotovoltaik jeneratörlerin (PVG)  I-V karakteristiği Akbaba Modeli kullanılarak karakterize edilmiştir. Literatürde, yeni MPPT çalışmalarında PV panellerini karakterize etmek için Akbaba Modeli'ni kullanan birçok araştırma olmasına rağmen hiçbiri Akbaba Modeli temelinde bir MPPT devresi tasarlamaya çalışmamıştır. Bu nedenle, bu tez, böyle bir çalışmaya ilk giren tezdir. Bu modelde bir PVG'nin I-V karakteristiği, PVG'nin kısa devre akımı (Isc), PVG'nin açık devre voltajı (Voc) ve A, B ve C olarak adlandırılan üç güneş ışınımına bağlı parametreler tarafından karakterize edilmiştir. Bir DC / DC dönüştürücü, yük ve PVG arasında bir eşleştirme devresi olarak kullanılmaktadır. Uygun bir sabit frekans seçimiyle, DC / DC dönüştürücünün görev döngüsü (d), çıkış geriliminin anlık değerinden geri besleme almak suretiyle, mikrodenetleyici tarafından adaptif şekilde belirlenmiştir. Bu nedenle sistem dinamik ve statik yükler için uygundur. Sistemin çalışması statik yük olarak omik bir yük kullanılarak ve dinamik yük olarak üç fazlı asenkron motor kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bir evirici, DC-DC dönüştürücünün çıkışında bir fan yüklü asenkron motoru çalıştırmak için kullanılmıştır. Bu sistemde, sadece iki ölçüm gereklidir; güneş ışınım yoğunluğu ve geri besleme olan yükteki çıkış gerilimidir. Ölçülen güneş ışınımı ve geri besleme olarak alınan çıkış gerilimi mikrodenetleyiciye girilmektedir ve görev döngüsü PVG'yi her zaman güneş ışınımının herhangi bir değerinde, maksimum güç noktası yörüngesinde tutmak için mikrodenetleyici tarafından adaptif olarak üretilmektedir. Sistem parametreleri PVG'ye bağımlıdır ve her yeni PVG için ayrı olarak edinilmesi gerekir. Önerilen yeni MPPT devresinden elde edilen deneysel sonuçlar, simüle edilen muadilleri ile karşılaştırılmış ve aralarında makul bir korelasyon gözlemlenmiştir.

Abstract:
The major source of energy of the World is fossil fuel and the reserves of this major source are sharply decreasing as the time progresses. Therefore it is obvious fossil fuel will not be sufficient to supply energy need of the nations. Hence, intensive investigations on renewable energy are supported with huge investments by most of the nations throughout the world. Among the renewable energy sources the solar energy is the most popular one as it is cleanest, abundant and free. The major disadvantage of solar energy is its low efficiency when converted into electrical energy. Solar energy converted to electrical energy through using photovoltaic panels. Nowadays efficiency of the photovoltaic panels available on market is below 20%. On the other hand cost of electrical energy harnessed from solar energy is still significantly higher as compared to cost of other conventional energy sources. Further to this when I-V characteristics of the loads that are supplied  from the solar panels do not match with the I-V characteristic of the solar panels then the efficiency further drops to a very low values. To overcome this problem an electronic device that is called Maximum Power Point Tracker, MPPT, is placed between the solar panels and the loads, which acts as a kind of impedance matching circuit. As the initial cost of PV panel based electrical energy sources is high, therefore MPPT circuits that increases the efficiency even fraction of a unit is important. On the other hand it is desirable to have an MPPT circuit that is less complicated and low cost. To respond to this desire in this study, a novel microcontroller based maximum power point tracker (MPPT) circuit has been built, simulated and tested. In this novel MPPT circuit the I-V characteristic of the Photovoltaic Generators, PVGs, is characterized using Akbaba Model. Although there are many investigation in the literature that have utilized the Akbaba Model to characterize  the PV panels in new MPPT studies, but none of them have attempted to design an MPPT circuit based on the Ababa Model. Therefore this thesis is the first one to attempt such a study. In this model the I-V characteristic of  a PVGs, are characterized by the short circuit current (Isc) of the PVG, the open circuit voltage (Voc) of the PVG and three solar radiation dependent parameters that are called as A,B and C. A DC/DC converter is used as a matching circuit between the load and PVG. Selecting a suitable fixed frequency, the duty cycle (d) of DC/DC converter has been determined adaptively by microcontroller, by getting feedback from the instantaneous value of the output voltage. As such the system is suitable for dynamic and static loads. The operation of the system is carried out using a resistive load as static load and a three phase asynchronous motor is used as the dynamic load. An inverter is used at the output of the DC-DC converter to drive the asynchronous motor that is loaded with s fan. In this system only the two measurements are needed which are solar radiation intensity and feedback from the output voltage across the load. The measured solar radiation and the output voltage taken as feedback are input to the microcontroller and the duty cycle is generated adaptively by the microcontroller in order to keep the PVG always on the maximum power point trajectory at any value of the solar radiation. The system parameters are PVG dependent and need to be obtained separately for every new PVG. The experimental results obtained from proposed novel MPPT circuit are compared with their simulated counterparts and reasonable correlation is observed between them.