Termoelektrik generatörler için değişken koşullar altında etkin maksimum güç noktası izleyicisinin geliştirilmesi
Development an efficient maximum power point tracker for thermoelectric generators under various conditions
Yazar: KHALID O.MOH. YAHYA
Danışman: YRD. DOÇ. DR. MEHMET ZEKİ BİLGİN
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Enerji = Energy

Özet:
Termoelektrik Generatörler (TEG), yenilenebilir enerji kaynaklarının kapsamını geliştirerek yeni birçok araştırmanın yolunu açmıştır. TEG'lerin, hiçbir kirliliğinin olmaması ve gürültüsüz olması sebebi ile çevreye karşı olumsuz bir etkisi yoktur. Ayrıca,  bakım ihtiyacının az olması, yaygın bulunan atık ısı enerjisini kullanması  gibi avantajlara da  sahiptir. Sıcaklık, TEG enerji dönüşüm sürecinde önemli bir rol oynamaktadır. TEG performansında, iki plaka arasındaki sıcaklık farkı ΔT'nin etkisi gibi önemli etkiye sahip olan birkaç faktör daha vardır. 
İstenen gerilim ve/veya akımı sağlamak için TEG hücreler elektriksel olarak seri ve/veya paralel bir dizi oluşturacak şekilde  bağlanabilirler. TEG'ler farklı sıcaklık ortamlarında, farklı termal güçlerde ve farklı elektrik yüklerinde uygulanabilirler. TEG dizilerindeki herbir hücreye çalışma koşullarının bir sonucu olarak, faklı sıcaklığın etkimesi mümkündür. Bu sebeple termoelektrik sistemde enerji dönüşümünün hassas bir şekilde, hücre bazında takip edilmesi ve sistemden maksimum enerji çekilebilmesinin sağlanması gereklidir. Bu işlem için TEG ile yük arasıda Maksimum Güç Noktası İzleyici (MGNİ) algoritması ile kontrol edilen bir güç dönüştürücüsü kullanmak kaçınılmazdır.
Bu tezde, TEG enerji dönüşüm sistemlerinin termal ve elektriksel karakteristiklerini çıkarmak  için testler yapılarak sonuçlar analiz edilmiştir. TEG'lerden her çalışma şartı altında maksimum enerjiyi alabilmek için güç dönüştürücüsü ve farklı tiplerde MGNİ algoritmaları önerilmiştir.  Önerilen algoritmaların performansı yapılan pratik uuygulamalar ile  belirlenerek sonuçlar sunulmuştur. Klasik algoritmaların yanında  modifiye değiştir ve gözle (D&G) (ing. Perturbation and Observation -P & O) algoritması geliştirilmiş ve sonuçlar analiz edilmiştir. MGNİ algoritmasına ilave olarak , TEG'in çalışma koşullarına göre çıkış gücünün tahmin  etmek için Kalman Filtresi kullanılmış ve böylece sistemin  performansı iyileştirilmiştir. 
Büyük ölçekli uygulamalarda, güç dönüştürücünün kontrol edilmesi için Güç Karşılaştırmalı-Maksimum Güç Noktası İzleme (GK-MGNİ)(ing. Power Differentials-Maximum Power Point Tracking PD-MPPT) algoritması önerilmiştir. Küçük ölçekli uygulamalar için, Kısa-Devre Darbe (KDD) (ing. Short Circuit Pulse-SCP) algoritması önerilerek  kararlı ve geçici bir durum altında sonuçlar analiz edilmiştir. Ticari TEG cihazları kullanılarak önerilen prototip ve kontrol algoritmaları, analitik ve deneysel olarak doğrulanmıştır. Önerilen MGNİ çözümlerinin bahsedilen avantajlarını doğrulayan başarılı bir performans sergilediği gösterilmiştir.

Anahtar Kelimeler: Güç Karşılaştırmalı-Maksimum Güç Noktası İzleme (PD-MGNİ), Kısa-Devre Darbe (KDD), Maksimum Güç Noktası Takibi (MGNİ), Termoelektrik Generatör (TEG), Yükseltici Dönüştürücü.

Abstract:
Thermoelectric Generators (TEG) has opened the way for many new researchers by improving the coverage of renewable energy sources. There is no negative impact on the environment because TEGs have no pollution and are noiseless. It also has the advantages of low maintenance and the use of common waste heat energy. Temperature plays an important role in the TEG energy conversion process. In TEG performance, there are several other factors that have a significant effect, such as the effect of temperature difference ΔT between the two plates. 
To provide the desired voltage and/or current, the TEG device can be electrically connected in series and/or parallel form. TEGs can be applied at different temperature environments, different thermal forces and different electrical loads. As a consequence of the operating conditions for each device in the TEG array, the changes of the temperature difference can affect on the system operation. For this reason, it is necessary to ensure that the energy conversion in the thermoelectric system is precisely monitored on a device basis and that maximum energy can be drawn from the system. For this operation, it is inevitable to use a power converter controlled by the Maximum Power Point Tracker (MPPT) algorithm between TEG and load.
In this thesis, the results were analyzed by making tests to extract the thermal and electrical characteristics of the TEG energy conversion systems. To obtain maximum energy under each working condition from TEG, power converter and various MPPT algorithms are proposed. The performance of the proposed algorithms is determined by practical applications and the results are presented. In addition to the classical algorithms, the modified perturb and observe (P&O) algorithm was developed and the results analyzed. In addition to the MPPT algorithm, the Kalman Filter is used to estimate the output power according to the operating conditions of the TEG, thus improving the performance of the system.In large-scale applications, the Power Differentials-Maximum Power Point Tracking (PD-MPPT) algorithm is proposed to control the power converter. For small-scale applications, the Short Circuit Pulse (SCP) algorithm is proposed, the results were analyzed under a stable and transient condition.
The proposed prototype using commercial TEG devices has been validated analytically, experimentally, and demonstrated successful performance which highlighted the claimed advantages of the proposed MPPT solutions.

Key words: Power Differentials-Maximum Power Point Tracking (PD-MPPT), Short Circuit Pulse (SCP), Maximum Power Point Tracking (MPPT), Thermoelectric Generator (TEG), Boost Converter.