Afganistan'da konut uygulamaları için li-ion pil depolu fotovoltaik sistem tasarımı ve optimizasyonu
Photovoltaik system design and optimisation with li-ion battery storage for residential applications in Afghanistan
Yazar: MOHAMMAD BASIR HOSSAINI
Danışman: PROF. DR. ALİ NACİ ÇELİK
Bolu Abant İzzet Baysal Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
PV sistemlerin, güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştürebilmeleri, çevreyi kirletmemeleri, sistem yapılarının ve uygulamalarının basit olmaları en önemli tercih sebebidir. Bu tez kapsamında, Afganistan şartlarında Kabil ilinde bir ailenin oturduğu şebekeden bağımsız (Off-Grid) bir konutun elektrik ihtiyacının bağımsız bir fotovoltaik sistemi ile karşılanmasına yönelik tasarım ve optimizasyon çalışması yapılmaktadır.  Bu doğrultuda, Kabil iline ait saatlik bazda yıllık ışınım verileri ile birlikte iki farklı yük profili kullanılmıştır. PV için akım-voltaj (I-V) esaslı ve lityum-iyon pil için şarj durumu (SoC) esaslı matematiksel modeller kullanılarak sistemin yük kaybı olasılığı (LLP) hesaplanmış ve sistem maliyeti (LCC) verileri ile birlikte optimizasyon gerçekleştirilmiştir. Fotovoltaik sistem çözümlemeleri polikristal tür bir güneş paneli için 4-değişkenli analitik model kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Kullanılacak pil kapasitesinin optimizasyonu depo olmadan, yarım günlük depo, bir günlük depo ve iki günlük depo kapasiteleri için gerçekleştirilmiştir. Analitik denklemlerin çözümünde, system simülasyonunda ve SoC ve LLP hesaplamalarında MATLAB ve EXCEL programları kullanılmıştır.  
Çözümlemeler, göz önüne alınan fotovoltaik ve pil parametreleri ile sistemin karşılamak durumunda olduğu enerji ihtiyacı (yük) verileri üzerinden gerçekleştirilmiştir. Enerji sistem tasarımı üretilen/depolanan enerji ve enerji ihtiyacı arasındaki olası durumlar göz önünde bulundurularak yapılmıştır. Bu bağlamda, fotovoltaik panellerden elde edilen enerji miktarı enerji ihtiyacından büyük ise bu durumda yük karşılanacak ve fazla enerji sistemdeki lityum-iyon pilde depolanacaktır. Fotovoltaik sistemin yeterli enerji üretmediği zamanlarda pilde yeterli enerji olması durumunda yük pilden karşılanacak ve sistem kesintisiz çalışacaktır. Son olarak, fotovoltaik modüllerin yeterli enerji üretemediği ve pilde depo edilmiş enerjinin olmaması veya yetersiz olması durumunda ise yük ya kısmen ya da tamamen karşılanamamaktadır. Bu çerçevede, sistem performansı farklı sayıda fotovoltaik modül ve pil kapasitesi kullanılarak farklı sistem kombinasyonları için detaylı bir şekilde analiz edilmiş ve bu doğrultuda sistemin optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Bir ve iki günlük pil depolama kapasitesi ile birinci ve ikinci yük profilleri için sırasıyla 30 ve 50 PV modül ile 0,035 ve 0,040 LLP değerine ulaşılmıştır.

Abstract:
Converting solar power directly into electricity with simple construction techniques but without producing any greenhouse emissions are the crucial reasons for using PV systems. In the present thesis, a study of design and optimization is carried out for meeting the electricity requirement of an off-grid family house in Kabul (Afghanistan) by way of a stand-alone photovoltaic energy system with lithium-ion battery storage. Towards this end, yearly solar radiation data on an hourly basis are used together with two different load profiles representing the energy requirement of a family house. Using current-voltage (I-V) curve based analytical model for the PV and a state of charge (SoC) based model for the battery, the loss of load probability (LLP) is calculated and used for optimization of the energy system together with the life cycle cost (LCC) of the system. Various battery capacities are used for the optimization purpose; from zero storage (with no battery capacity) through to two-day storage, including half-day storage, one-day storage and two-day storage capacities. MATLAB and EXCEL programming languages are used in coding the models and solving the equations. 
The solutions of the equations for the energy system are carried out using the PV and battery parameters and also the load demand data that the system has to meet. The energy system analysis is performed by considering the possible states of energy generated, energy stored and the energy demand. In this regard, if the amount of energy generated by the PV panels is greater than the energy demand, then the load is met and the excess energy is stored in the li-ion battery. If the PV panels do not produce enough energy to meet the load but there is sufficient energy stored in the battery, then the load will be satisfied and the system will work continuously. Finally, if the PV panels cannot produce adequate energy and there is no energy or sufficient energy stored in the battery, then the load cannot be covered, either partially or completely. In this context, the performance of the system with different combinations of number of PV modules and battery capacities are analyzed in detail and the optimum combinations are determined accordingly. With one and two-day storage capacity for a value of 0.035 and 0.040 LLP, the optimum performance and efficiency are achieved with 30 and 50 modules for the first and second load profiles respectively.