Kısmi gölgelenme koşullarında maksimum güç noktasında çalışan enerji geri kazanımlı tek dönüştürücülü şebeke bağlantılı PV sistem tasarımı ve uygulaması
Single stage grid connected maximum power point performed energy recovery PV system design and implementation in partial shading condition
Yazar: EKREM KANDEMİR
Danışman: DOÇ. DR. NUMAN SABİT ÇETİN ; PROF. DR. SELİM BÖREKCİ
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Güneş Enerjisi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Enerji = Energy

Özet:
Güneş enerjisi kullanarak enerji üretilmesi, yenilenebilir enerji kaynağı alanında en popüler olan uygulamalardan bir tanesidir. Dünyanın en önemli enerji kaynağı güneştir. Güneşin ışınım enerjisi, yer ve atmosfer sistemindeki fiziksel oluşumları etkileyen başlıca etmendir. Doğal enerji kaynaklarının pek çoğunun kökeni olan güneş enerjisinden, ısıtma ve elektrik elde etme gibi amaçlarla doğrudan yararlanılmaktadır. Güneş enerjisi sistemlerinde güneş ışığının doğrudan elektrik enerjisine çevrilmesi fotovoltaik (PV) paneller içerisindeki PV hücreler ile yapılmaktadır. PV hücreler ve aynı zamanda PV paneller bulundukları ortamın sıcaklık ve güneş ışınım değerine bağlı olarak farklı akım – gerilim ve güç seviyelerinde çalışırlar. Buna bağlı olarak, PV panellerde ortam radyasyon ve sıcaklık değerlerine göre güç seviyeleri ve maksimum güç noktası (MPP) değişim göstermektedir. Bu nedenle PV sistemlerden bulunduğu ortam şartları altında maksimum gücün alınması için maksimum güç noktası takibinin (MPPT) yapılması önemli bir konudur. Ayrıca, PV hücrelerin veya panellerin kısmi gölge şartı altında zarar görmemesi için (bypass diyotu üzerinden) pasif duruma geçmesinden dolayı PV sistemin güç-gerilim karakteristik eğrisinde birden fazla lokal MPP noktaları oluşmaktadır. Bu sebeple kısmi gölge şartı altında MPPT işleminin yapılması daha zor bir problem haline dönüşmektedir.
Bu çalışmada 2 adet 175 W'lık PV panel kullanılarak toplamda 350 W gücünde kısmi gölgelenme şartı altında da maksimum güç noktasında çalışabilen PV sistem tasarımı ve uygulaması yapılmıştır. Çalışmada önerilen PV sistem yapısında kullanılan enerji geri kazanım devresi yardımıyla kısmi gölgelenme şartı altında düşük ışınım değerine maruz kalan PV panel üzerinde bypass durumuna geçmesi engellenerek gölgeli PV panelden de güç üretiminin devamlılığı sağlanmıştır. Ayrıca bu işlem esnasında PV paneller üzerinde herhangi bir hot-spot veya katastrofik problem de yaşanmamıştır. Bu sayede PV paneller üzerinden elde edilebilecek maksimum güç seviyesi arttırılarak panellerden elde edilen bu gücün PV sistemde kullanılan tek güç devresi üzerinden doğrudan şebekeye aktarılması gerçekleştirilmiştir. Ayrıca sistemde tek giriş değişkeni üzerinden bulanık mantık kontrol tabanlı MPPT tekniği uygulanarak daha az kural ve daha az karmaşık yapıya sahip MPPT yöntemi geliştirilmiştir. Böylelikle, PV sistemde kullanılan tek güç devresi üzerinden bulanık mantık kontrol tabanlı MPPT tekniği uygulanarak hem PV paneller için maksimum güç noktası takibi gerçekleştirilmiş hem de PV panellerin şebekeye bağlantısı sağlanmıştır.  
Böylece, bu önerilen yapı sayesinde PV sistemin kısmi gölge şartı altında da maksimum güç seviyesinin arttırılıp daha basit şekilde MPPT işleminin gerçekleştirilmesi sağlanmıştır. Ayrıca, PV sistemin şebekeye veya AC yüklere olan bağlantısını tek güç devresi üzerinden tek aşamada gerçekleştirerek sistem karmaşıklığını düşürüp PV sisteminin toplam veriminin arttırılması da gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
Generating energy using solar energy is one of the most popular applications in renewable energy sources. The most crucial energy source on earth is the sun. The solar irradiance energy is the main factor affecting the physical formations in the earth and atmosphere system. Solar energy, which is the origin of many natural energy resources, is directly used for purposes such as heating and electricity generation. In solar energy systems, the conversion of sunlight into electrical energy is achieved by photovoltaic (PV) cells in PV panels. PV cells, as well as PV panels, operate at different current-voltage and power levels depending on ambient temperature and solar irradiance values. Therefore, power levels and maximum power point (MPP) change in PV panels according to ambient temperature and radiation values. Thus, maximum power point tracking (MPPT) to extract maximum power from the PV panels under the ambient conditions of the PV systems becomes an important issue. Also, multiple local MPP points occur in the power-voltage characteristic curve of the PV systems, as the PV cells or panels becomes bypassed (via the bypass diodes) to avoid damage under partial shading condition. For this reason, under partial shading conditions, performing MPPT operation becomes a more difficult problem.
In this study, a 350 W PV system design and application, which can operate at maximum power point under partial shading condition, was made using two 175 W PV panels. By using the energy recovery circuit in the PV system, which is proposed in the study, bypass status on the PV panel, which is exposed to low radiation under partial shading condition, is prevented and the continuity of power generation from the shaded PV panel is ensured. In addition, no hot-spot or catastrophic problems were encountered on the PV panels during this process. In this way, the maximum power level that can be extracted from the PV panels increased and this power obtained from the panels is transferred to the grid directly by a single power circuit used in the PV system. Also, by using fuzzy logic control based MPPT technique over the single input variable on the system, the MPPT method was developed, which has fewer rules and less complexity. Therefore, by applying fuzzy logic control based MPPT technique over the single power circuit used in the PV system, maximum power point tracking was performed for the PV panels and these panels were made connected to the grid.  
Thus, by the proposed PV system, it is provided to increase the maximum power level under the partial shading condition and to perform the MPPT process more simply. Additionally, connecting the PV system to the grid or AC loads is achieved by using the single-stage converter, which provides less system complexity and increased efficiency.