Şebekeden bağımsız uygulamalar için hibrit bir rüzgâr türbini/fotovoltaik/yakıt hücresi/batarya sisteminin optimizasyonu, tasarımı ve uygulaması
Optimization, design and application of a hybrid wind turbine/photovoltaic/fuel cell/battery system for stand alone applications
Yazar: OZAN ERDİNÇ
Danışman: DOÇ. DR. MEHMET UZUNOĞLU
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Enerji = Energy

Özet:
Tüm dünyada enerji talebinin giderek artması, bunun yanında fosil kökenli yakıtların ise giderek azalması, alternatif ve yenilenebilir enerji kaynakları ile ilgili çalışmalara hız kazandırmıştır. Bunun yanı sıra, fosil yakıtların son derece olumsuz çevresel etkileri de yenilenebilir enerji kaynakları üzerine yapılan çalışmaların önemini daha da arttırmıştır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının birçok avantajının yanında çözüm bekleyen problemleri de bulunmaktadır. Bu problemler arasında en önemlilerinden biri de rüzgâr, güneş gibi enerji kaynakları ile elektrik enerjisi üretiminin meteorolojik koşullara doğrudan bağımlı olmasıdır. Bu dezavantajın üstesinden gelebilmek için bahsi geçen yenilenebilir enerji kaynaklarının, yedek bir güç ünitesi ve enerji depolama elemanları ile birlikte kullanıldığı hibrit sistemler önerilmektedir. Konvansiyonel uygulamalarda bahsi geçen yenilenebilir enerji kaynaklarına paralel olarak batarya sistemleri sıkça kullanılmaktadır. Ancak kısa ömürlü, büyük boyutlu ve maliyetli batarya ünitelerinin yerine son zamanlardaki çalışmalarda bir elektrolizör ünitesi vasıtası ile yakıt hücresi sistemlerinin kullanılması üzerine yoğun araştırmalar yapılmaktadır. Bu şekilde oluşturulan hibrit bir sistem ile bir enerji tüketim merkezinin (evsel yükler, sanayi yükleri, telekomünikasyon merkezlerinin yük talepleri, vb.) güç ihtiyacı şebekeden bağımsız şekilde karşılanabilir. Bu sayede, bahsi geçen sistemlerde fosil yakıtların kullanımı ile oluşan olumsuz çevresel etkilerin önüne geçilebildiği gibi, verim arttırımı ve maliyet azaltımı da elde edilebilir. Bu şekilde oluşturulan hibrit sistemlerde xiv ekonomik olma kriterinin de sağlanması açısından sistem bileşenlerinin optimum şekilde boyutlandırılması da büyük bir önem arz etmektedir. Bu bağlamda gerçekleştirilen tez çalışmasında, uygun bir güç biçimlendirme ünitesi üzerinden şebekeden bağımsız bir yük için gerekli güç talebini karşılayan hibrit bir yenilenebilir enerji sisteminin tasarımı, optimizasyonu ve deneysel olarak gerçeklenmesi amaçlanmıştır. Rüzgâr Türbini/Fotovoltaik/Yakıt Hücresi/Batarya ünitelerinden oluşan hibrit sistem ile ilgili denemeler öncelikle benzetim ortamında, daha sonra da test platformunda deneysel olarak gerçekleştirilmiştir. Optimum boyutlandırma aşamasında hibrit sistem bileşenlerinin performans azalımlarını dikkate alan yeni bir perspektif ortaya konulmuştur. Bu bağlamda, elde edilen çıktılar ile özellikle hibrit alternatif enerji sistemlerini konu alan mevcut literatüre katkı yapılması hedeflenmektedir. Anahtar Kelimeler: Batarya, elektrolizör, enerji yönetim sistemi, dinamik modelleme, fotovoltaik panel, hibrit sistem, optimum boyutlandırma, rüzgâr türbini, yakıt hücresi.

Abstract:
The increase in energy demand in the whole world as well as the rapid depletion of fossil fuels has given increase to the studies on alternative and renewable energy sources. Besides, the growing concerns on the negative environmental effects of fossil fuels have provided a growing importance of the studies on renewable sources of energy. There are many advantages of renewable energy sources, however there are some problems to be solved for the renewable energy issue. One of the most important drawbacks of renewable energy options such as wind, solar, etc., is their unpredictable nature and dependence on weather and climatic changes. Thus, in order to overcome this problem and satisfy the load demand in all conditions, hybrid energy systems that combine the renewable energy sources with energy storage (or ?back-up?) units have been implemented. Traditionally, batteries have been used in this regard. However, due to the size and cost problems of battery systems, the use of fuel cell technology as back-up unit through an electrolyzer system is recommended in recent studies. Such a hybrid system can be used to provide power to energy consumption centers (residential loads, industrial loads, the demand of telecommunication systems, etc.) without grid connection. Thus, the negative impacts of the use of fossil fuels in such systems can be prevented and efficiency improvement xvi and cost reduction can be obtained. The optimum sizing of such hybrid systems shows great importance in terms of obtaining minimum cost. In the concept of the realized thesis, it is aimed to design, realize an optimum sizing and experimentally verify a stand alone hybrid system for supplying the power demand of a stand alone load unit. The mentioned hybrid system consisting of wind turbine/photovoltaic/fuel cell/battery units are evaluated in the simulation environment in the first part of the study. Then, experimental studies of the mentioned system are conducted on a test platform. A new perspective considering the performance degradations of hybrid system components during optimum sizing process is presented. Thus, it is aimed to make contributions to the existing literature especially on hybrid alternative energy systems. Key words: Battery, dynamic modeling, electrolyzer, energy management system, fuel cell, hybrid system, optimum sizing, photovoltaic panel, wind turbine.